MD4487C1

MD4487C1 - Turbină eoliană cu ax orizontal

Info

Publication number: MD4487C1
Application number: MDA20160092A
Authority: MD
Inventors: Виорел БОСТАН; Ион БОСТАН; Валериу ДУЛГЕРУ; Кэтэлин ДУМИТРЕСКУ; Олег ЧОБАНУ; Раду ЧОБАНУ; Марин ГУЦУ
Original assignee: Технический университет Молдовы; Научно-Исследовательский Институт Гидравлики И Пневматики
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2018-03-31
Also published as: MD4487B1

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene cu ax orizontal şi poate fi utilizată pentru conversia energiei regenerabile, în special pentru conversia energiei eoliene.Turbina eoliană cu ax orizontal conţine un turn (4), pe care sunt instalate un rotor (2) cu trei pale aerodinamice (1), amplasate pe butucul rotorului (2) sub un unghi θ faţă de planul vertical al rotorului (2), valoarea căruia este determinată după formula:,unde: ymax este amplitudinea deplasării vârfului palei;D - diametrul rotorului;Fmax - forţa maximă de încovoiere;E - modulul de elasticitate al materialului palelor;Iy - momentul de inerţie faţă de axa de simetrie a profilului aerodinamic al palei.Distanţa de la planul vertical de rotire a palelor (1) până la suprafaţa exterioară a turnului (4) este minimă.

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene cu ax orizontal şi poate fi utilizată pentru conversia energiei regenerabile, în special pentru conversia energiei eoliene.

Este cunoscută o turbină cu ax orizontal, care include pale aerodinamice, amplasate pe butucul rotorului, perpendicular pe axul lui, care, la rândul său, este amplasat într-o nacelă, legată cu turnul cu posibilitatea rotirii în jurul axei lui [1].

Dezavantajul acestei soluţii constă în faptul că, deşi construcţia este simplă, posedă o eficienţă redusă a conversiei energiei.

De asemenea, este cunoscută o turbină eoliană cu ax orizontal, care include un turn cu un arbore vertical, amplasat cu posibilitatea rotirii în lagăre, pe care este fixată articulat o gondolă, centrul de greutate al căreia este deplasat la o distanţă de la axul articulaţiei. Pe puntea de bază a gondolei sunt instalate nişte suporturi cu lagăre, în care este amplasat arborele unui rotor cu pale cu profil aerodinamic asimetric, precum şi un generator electric, instalat în partea opusă a punţii de bază a gondolei. Arborele generatorului electric este unit printr-un cuplaj cu arborele rotorului, totodată pe turn este fixat un suport al gondolei [2].

Dezavantajul acestei soluţii constă în faptul că momentul de încovoiere, care solicită elementele de legătură mobilă a gondolei cu turnul, este mărit, fapt ce conduce la majorarea solicitării rulmenţilor şi a îmbinărilor filetate de asamblare.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia constă în majorarea eficienţei conversiei energiei şi evitarea coliziunii palei cu turnul.

Turbina eoliană cu ax orizontal, conform invenţiei, înlătură dezavantajul menţionat mai sus prin aceea că conţine un turn, pe care sunt instalate un rotor eolian cu trei pale aerodinamice, amplasate pe butucul rotorului, perpendicular pe axul lui, distanţa de la planul vertical de rotire a palelor până la axa verticală a turnului fiind maximă. Palele aerodinamice sunt amplasate pe butucul rotorului eolian sub un unghi θ în aval faţă de planul vertical al rotorului eolian, valoarea căruia este determinată după formula:

,

unde: ymax este săgeata palei (amplitudinea deplasării vârfului palei);

D - diametrul rotorului;

Fmax - forţa maximă de încovoiere;

E - modulul de elasticitate al materialului palelor;

Iy - momentul de inerţie faţă de axa de simetrie a profilului aerodinamic al palei,

totodată distanţa de la planul vertical de rotire a palelor până la suprafaţa exterioară a turnului este minimă.

Particularităţile invenţiei permit amplasarea palelor pe butucul rotorului în poziţie înclinată sub un unghi θ împotriva direcţiei vântului, asigurând majorarea ariei baleiate a rotorului la viteza nominală a vântului, precum şi evitarea coliziunii palei cu turnul.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în faptul că instalarea rotorului mai aproape de turn conduce la reducerea momentului de încovoiere, care solicită elementele de legătură mobilă a nacelei cu turnul, totodată, instalarea rotorului eolian cât mai aproape de axa turnului conduce la reducerea solicitării rulmenţilor de legătură mobilă a nacelei cu turnul, a îmbinărilor filetate de asamblare a nacelei cu turnul şi a turnului cu bara.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-6, care reprezintă:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene cu pale înclinate în aval;

- fig. 2, turbina eoliană cu pale instalate perpendicular pe axa rotorului nesolicitată;

- fig. 3, turbina eoliană cu pale instalate perpendicular pe axa rotorului eolian aflat sub acţiunea curenţilor de aer;

- fig. 4, turbina eoliană cu pale instalate înclinat în aval fără acţiunea curenţilor de aer;

- fig. 5, turbina eoliană cu pale amplasate înclinat sub un unghi în aval aflate sub acţiunea curenţilor de aer;

- fig. 6, axa y a profilului aerodinamic.

Turbina eoliană cu ax orizontal (fig. 1-5) conţine palele aerodinamice 1 (fig. 6), amplasate pe butucul rotorului 2 sub unghiul θ în aval faţă de planul vertical al rotorului 2, care este amplasat în nacela 3, instalată mobil pe turnul 4, care este fixat rigid pe fundaţia 5, totodată distanţa B (fig. 1) de la planul vertical de rotire a palelor 1 până la suprafaţa exterioară a turnului 4 este minimă. Valoarea unghiului θ este determinată după formula:

,

unde: ymax este săgeata palei 1 (amplitudinea deplasării vârfului palei 1);

D - diametrul rotorului 2;

Fmax - forţa maximă de încovoiere;

E - modulul de elasticitate al materialului palelor 1;

Iy - momentul de inerţie faţă de axa de simetrie a profilului aerodinamic al palei 1.

Turbina eoliană cu ax orizontal funcţionează în modul următor.

Acţiunea curenţilor de aer asupra palelor 1 cu profil aerodinamic generează efectul aerodinamic, care antrenează palele 1 în mişcare de rotaţie, transmisă rotorului 2.

În cazul în care palele 1 sunt amplasate perpendicular pe axul rotorului 2 la distanţa A (fig. 2) de la planul vertical de rotire a palelor 1 până la suprafaţa exterioară a turnului 4, la viteze mici ale vântului, pala 1 este practic nedeformată, iar aria baleiată a rotorului 2 se determină după formula:

,\tab(1)

iar puterea generată se determină după formula:

,\tab(2)

unde: k este eficienţa de conversie;

ρ - densitatea aerului;

V - viteza aerului;

D0 - diametrul rotorului 2 eolian.

La viteze mari ale vântului, pala 1 se deformează (fig. 3) la distanţa a de la vârful palei 1 până la suprafaţa exterioară a turnului 4, vârful ei, deplasându-se după săgeata ymax, se determină după formula:

,\tab(3)

unde: Fmax este forţa de încovoiere maximă generată de curenţii de aer, care acţionează asupra palei 1;

D0 - diametrul rotorului 2 eolian;

E - modulul de elasticitate de gradul I al materialului palei 1;

Iy - momentul de inerţie a secţiunii palei 1 faţă de axa „y” (fig. 6).

Aria baleiată a rotorului 2 se determină după formula:

,\tab(4)

unde, D1 = D0cosθ, iar .

Puterea generată se determină după formula:

.\tab(5)

În cazul în care palele 1 sunt amplasate sub unghiul θ în aval faţă de planul vertical al rotorului 2 la distanţa B de la planul vertical de rotire a palelor 1 până la suprafaţa exterioară a turnului 4, la viteze mici ale vântului, pala 1 este practic nedeformată (fig. 4), iar aria baleiată a rotorului 2 se determină după formula:

,\tab(6)

Iar energia convertită se determină după formula (2).

La viteze mari ale vântului, pala 1 se deformează (fig. 5) la distanţa b de la vârful palei 1 până la suprafaţa exterioară a turnului 4, vârful ei, deplasându-se după săgeata ymax, se determină după formula:

,\tab(7)

Aria baleiată a rotorului 2 se determină după formula:

,\tab(8)

Energia convertită se determină după formula (5).

Analiza comparativă a celor două exemple demonstrează faptul că, în cazul instalării palelor 1 sub unghiul θ în aval faţă de planul vertical al rotorului 2, la viteze mari ale vântului (când potenţialul energetic este mai mare) pala 1, deformându-se, ocupă o poziţie apropiată de cea verticală, mărind astfel suprafaţa baleiată, deci şi cantitatea de energie convertită.

Amplasarea palelor 1 pe butucul rotorului 2 sub unghiul θ, după deformarea lor sub acţiunea curenţilor de aer la viteze mari ale vântului, va ocupa poziţia apropiată de cea verticală. De aceea, în vederea evitării coliziunii palelor 1 cu turnul 4, planul de amplasare a palelor 1 în butuc este mai apropiat de suprafaţa exterioară a turnului 4 al turbinei (B<A), fapt ce conduce la reducerea momentului de încovoiere, generat de forţele care acţionează asupra palelor 1 la viteze mari ale vântului. Iar aceasta asigură o solicitare mai mică a elementelor de legătură mobilă a rotorului 2 eolian şi a nacelei 3 cu turnul 4. De asemenea, se reduc şi forţele care acţionează asupra buloanelor de fixare ale turnului 4 cu fundaţia 5.

1. US 20150361956 A1 2015.12.17

2. MD 671 Y 2013.08.31

Claims

Turbină eoliană cu ax orizontal, care conţine un turn, pe care sunt instalate un rotor eolian cu trei pale aerodinamice, amplasate pe butucul rotorului, perpendicular pe axul lui, distanţa de la planul vertical de rotire a palelor până la axa verticală a turnului fiind maximă, caracterizată prin aceea că palele aerodinamice sunt amplasate pe butucul rotorului eolian sub un unghi θ în aval faţă de planul vertical al rotorului eolian, valoarea căruia este determinată după formula:

,

unde: ymax este săgeata palei (amplitudinea deplasării vârfului palei);

D - diametrul rotorului;

Fmax - forţa maximă de încovoiere;

E - modulul de elasticitate al materialului palelor;

Iy - momentul de inerţie faţă de axa de simetrie a profilului aerodinamic al palei,

totodată distanţa de la planul vertical de rotire a palelor până la suprafaţa exterioară a turnului este minimă.