MD1738Z - Turbină eoliană cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la dispozitive de conversie a energiei eoliene, în special la turbinele eoliene cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor.Turbina, conform invenţiei, conţine un turn (1), pe care este instalat un generator electric (10) cu un arbore rotitor (7), unit cu un arbore rotitor (2) cu pale cu profil aerodinamic (3) executate înclinat şi montate flexibil cu posibilitatea autoschimbării unui unghi de atac α prin pivotare. Palele (3) sunt unite cu arborele rotitor (2) prin intermediul unor bare radiale (4), la extremităţile periferice ale cărora sunt montate articulaţii mecanice (5, 6) axial distanţate una faţă de alta.

Description

Invenţia se referă la dispozitive de conversie a energiei eoliene, în special la turbinele eoliene cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor.

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].

Dezavantajele soluţiei cunoscute constau în construcţia ei complicată şi în fiabilitatea redusă a exploatării.

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].

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.

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.

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.

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.

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.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-10, care reprezintă:

- 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. 2, turbina eoliană cu ax vertical cu pale elicoidale cu profil aerodinamic, pivotant în jurul axei O1O1;

- fig. 3, vederea A din 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. 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. 6, schema constructiv-cinematică a palei cu profil aerodinamic şi unghiul de atac autoschimbabil la viteza limită maximală a vântului (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. 8, interacţiunea profilului aerodinamic cu fluxul de vânt la unghiurile de atac în poziţie optimă de lucru;

- fig. 9, interacţiunea profilului aerodinamic cu fluxul de vânt la unghiurile de atac în poziţie de frânare aerodinamică;

- 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.

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.

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).

Turbina eoliană cu ax vertical funcţionează în modul următor.

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.

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.

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:

(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.

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:

σ · λ2 opt ≈ 2 (2),

în care λ este rapiditatea optimă a arborelui rotitor, şi este definită prin relaţia:

λ = (N ∙ C ∙ ℎ)⁄A (3),

unde:

A - aria baleiată, m2;

h - înălţimea arborelui rotitor, m;

N - numărul de pale;

C - lungimea corzii palei, 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).

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):

(4),

unde:

este viteza relativă a fluxului de vânt;

- reprezintă aria suprafeţei laterale a palei (C - lungimea corzii palei, h - înălţimea palei);

ρ - densitatea aerului, kg/m3;

CL, CD - coeficienţii aerodinamici adimensionali de portanţă (lift) şi de rezistenţă (drag).

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:

(5),

iar coeficienţii CN şi CT pot fi rescrişi

(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).

Numărul Reynolds local

iar al turbinei

,

unde C este lungimea corzii palei, definită prin relaţia:

(7)

Vrel - viteza relativă a vântului, m/s;

υ - viscozitatea cinematică a fluidului, m2/s;

ω - viteza unghiulară a arborelui rotitor, sec-1;

R - raza arborelui rotitor, 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:

(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.

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:

(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).

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):

(10)

care poate fi rescrisă

(11)

iar pentru BN1>BOʹ din relaţia (7), care poate fi rescrisă

(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.

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.

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.

1. RO 130364 A0 2015.06.30

2. MD 1261 Y 2018.06.30

Claims (2)

1. Turbină eoliană cu ax vertical cu protecţie aerodinamică împotriva suprasarcinilor, care conţine un turn (1), pe care este instalat un generator electric (10) cu un arbore rotitor (7), unit cu un arbore rotitor (2) cu pale cu profil aerodinamic (3) executate înclinat şi montate flexibil cu posibilitatea autoschimbării unui unghi de atac α prin pivotare, caracterizată prin aceea că palele (3) sunt unite cu arborele rotitor (2) prin intermediul unor bare radiale (4), la extremităţile periferice ale cărora sunt montate articulaţii mecanice (5, 6) axial distanţate una faţă de alta, cu o axă comună de articulare O1O1 concurentă cu o axă OO a arborelui rotitor (2) şi care în secţiunea amplasării barelor radiale (4) trece printr-un punct O1 cu proiecţia pe coarda palei (3) într-un punct N1, amplasat între bordul de atac B al palei (3) 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 (3), dotată cu un arc (8), sub acţiunea forţelor aerodinamice menţionate şi centrifuge FCF definită de masa m a unui corp inerţial (9), amplasat pe pală (3), şi de viteza lui unghiulară, să poziţioneze pala (3) 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 (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 a arborelui rotitor (2) şi a generatorului electric (10) revine la valoarea regimului staţionar de funcţionare.

2. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că axa comună de articulare O1O1 a articulaţiilor mecanice (5, 6) în secţiunea amplasării barelor radiale (4) trece prin punctul O1 cu proiecţia pe coarda palei (3) în punctul N1, amplasat în afara segmentului BO1 cu respectarea condiţiei BN1>BOʹ.