MD661Z - Turbină eoliană - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbinele cu rotor aerodinamic, destinate producerii energiei termice pentru consumatorii individuali.Turbina eoliană conţine un turn (8), pe care este amplasat un rotor (1) cu pale (2) cu profil aerodinamic, instalat pe un butuc (6) într-o gondolă, montată cu posibilitatea rotirii ei în jurul axei turnului (8) prin intermediul roţilor-vindroză (5), cuplate cu un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, precum şi un dispozitiv de transformare a energiei (9), legat cinematic cu rotorul (1). Fiecare pală (2) 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 (2). Totodată gurile de aspiraţie şi de refulare sunt executate ca deschizături în învelişul palelor (2), gurile de aspiraţie şi de refulare fiind unite între ele printr-un tunel pentru circulaţia aerului, executat între învelişul părţii dorsale a palei (2) şi învelişul echidistanţat de învelişul părţii dorsale a palei (2).

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbinele cu rotor aerodinamic, destinate producerii energiei termice pentru consumatorii individuali.

Este cunoscută o turbină eoliană cu roţi-vindroză aerodinamice, care conţine un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat cu arborele rotorului cu pale. În interiorul gondolei este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului. De o parte şi de alta a gondolei sunt instalate două roţi-vindroză, palele cărora sunt executate cu profil aerodinamic asimetric, amplasate faţă de planul de rotaţie a roţilor-vindroză sub un unghi. Această turbină eoliană este simplă constructiv şi fiabilă în exploatare [1].

Dezavantajul turbinei constă în performanţa aerodinamică limitată a rotorului cu pale la viteze ale curenţilor de aer relativ mari din cauza influenţei efectului de separare a stratului limită la curgerea fluidului în direcţia transversală a palelor.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea eficienţei conversiei potenţialului eolian disponibil, creşterea cantităţii de energie eoliană convertită anual şi în diminuarea costului energiei produse.

Turbina eoliană înlătură dezavantajele sus-menţionate prin aceea că conţine un turn, pe care este amplasat un rotor cu pale cu profil aerodinamic, instalat pe un butuc într-o gondolă, montată cu posibilitatea rotirii ei în jurul axei turnului prin intermediul roţilor-vindroză, cuplate cu un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, precum şi un dispozitiv de transformare a energiei, legat cinematic cu rotorul. Fiecare pală este dotată cu o gură de aspiraţie a aerului sub presiune, 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 palelor.

În turbina eoliană gurile de aspiraţie şi de refulare pot fi executate în formă de orificii amplasate în fâşii pe lungimea palelor în zonele bordului de atac şi bordului de fugă, unite între ele prin tunelul executat comun. În tunel poate fi amplasată o carcasă gofrată cu proeminenţe transversale sau poate fi amplasat un strat de granule, de exemplu sferice din poliuretan, lipite între ele cu posibilitatea circulării aerului de la gura de aspiraţie către gura de refulare.

Invenţia se explică prin desenele din figurile 1-8, care reprezintă:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene;

- fig. 2, vederea laterală constructiv principială a turbinei eoliene;

- fig. 3, vederea de sus constructiv principială a turbinei eoliene;

- fig. 4, pala cu profil aerodinamic cu gurile de aspiraţie şi de refulare şi tunel;

- fig. 5, pala cu profil aerodinamic cu gurile de aspiraţie şi de refulare şi tunel cu un strat de granule sferice;

- fig. 6, factorul de performanţă al profilului aerodinamic Cp, funcţie de viteza specifică λ;

- fig. 7, separarea fluidului la interacţiunea cu pala integră, profil NACA4415, cu unghiul de atac de 17°;

- fig. 8, separarea fluidului la interacţiunea cu pala, profil NACA4415 cu gurile de aspiraţie şi de refulare, cu unghiul de atac de 17°.

Turbina eoliană (fig. 1) include un turn 8, pe care este instalat un rotor 1 cu pale 2 cu profil aerodinamic, gondola, formată din corpurile 3 şi 4, asamblate demontabil, două roţi-vindroză 5, montate pe un butuc 6 comun, amplasate simetric de o parte şi alta a gondolei. De palele 2 coaxial cu rotorul 1 este fixat un difuzor convergent 7. Între secţiile turnului 8 este montat un dispozitiv de transformare a energiei 9, de exemplu, un generator termic cu curenţi turbionari.

Arborele principal 10 (fig. 2 şi 3) al rotorului 1 este instalat în rulmenţi în corpul 3 al gondolei şi este dotat la extremitatea opusă rotorului 1 cu o roată conică 11. Corpul 4 al gondolei reprezintă o construcţie spaţială, care include o bucşă 12, amplasată vertical, axa căreia este perpendiculară pe axa comună a corpurilor 3 şi 4 ale gondolei, şi o bucşă 13, axa căreia este perpendiculară pe axa bucşei 12. În interiorul bucşei 12 a corpului 4 în rulmenţi este amplasat un arbore tubular 14, fixat imobil de turnul 8. Pe arborele tubular 14 este amplasată o roată cu melc 15, angrenată cu melcul arborelui 16, pe capătul căruia este montată o roată melcată 17, angrenată cu melcul 18 al arborelui comun 19 al roţilor-vindroză 5.

În cavitatea interioară a arborelui tubular 14 în rulmenţi este montat un arbore 20, pe un capăt al căruia este montată o roată conică 21, angrenată cu roata conică 11, iar pe capătul opus este montat un cuplaj cu angrenaj cilindric interior 22. Arborele conducător al dispozitivului de transformare a energiei 9 prin intermediul cuplajelor cu angrenaje cilindrice interioare 23, fixate pe capetele arborelui de torsiune 24, este legat cinematic cu arborele 20, iar prin intermediul angrenajului conic 11 şi 21 şi al arborelui principal 10 - cu rotorul 1 aerodinamic al turbinei eoliene.

Pala 2 cu profil aerodinamic (fig. 4a) este dotată cu o gură de aspiraţie 25 a aerului sub presiune, amplasată longitudinal palei 2 în zona adiacentă bordului de atac, şi o gură de refulare 26, amplasată în zona adiacentă bordului de fugă. Gurile de aspiraţie 25 şi de refulare 26 sunt amplasate pe partea dorsală a palelor 2 şi sunt executate ca deschizături în învelişul 27 al palelor 2, orientate de-a lungul acestora.

Gurile de aspiraţie 25 şi de refulare 26 sunt unite între ele printr-un tunel 28 pentru circulaţia aerului (fig. 4b, c).

Tunelul 28 (fig. 4d) este executat între învelişul 27 părţii dorsale a palei 2 şi învelişul 29 echidistanţat de primul prin intermediul unei carcase gofrate 30 (fig. 4e) cu proeminenţe transversale. Deschizăturile gurilor de aspiraţie 25 şi de refulare 26 sunt variabile, micşorându-se spre vârful palei 2.

De exemplu, gurile de aspiraţie 25 (fig. 4d) şi de refulare 26 pot fi executate în formă de orificii 31 şi 32 cu diametre mici, micşorându-se spre vârful palei 2, amplasate în fâşii pe lungimea acesteia, respectiv, în zona bordului de atac şi a bordului de fugă. În tunelul 28 de circulaţie a aerului între gurile de aspiraţie 25 şi de refulare 26 poate fi amplasat un strat de granule 33 (fig. 5), de exemplu de formă sferică din poliuretan, lipite între ele astfel încât aerul sub presiune să se filtreze fără rezistenţă aerodinamică considerabilă din zona bordului de atac spre zona bordului de fugă.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor.

La o viteză a vântului mai mare de 2,5…3 m/s curenţii de aer, interacţionând cu palele 2 cu profil aerodinamic (fig. 1), antrenează rotorul 1, arborele principal 10 (fig. 2 şi 3) şi roata conică 11 într-o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ωr. Prin intermediul angrenajului conic 11 şi 21, arborelui 20 şi arborelui de torsiune 24 cu două cuplaje dinţate cu angrenaj interior 23, amplasate la capetele acestuia, mişcarea de rotaţie şi momentul de torsiune se transmit arborelui conducător al dispozitivului de transformare a energiei 9. Difuzorul convergent 7, fixat de palele 2, stopează curgerea fluidului în direcţia longitudinală a palelor, fapt ce conduce la diminuarea separării stratului limită pe porţiunea palelor adiacente butucului (de fixare a palelor).

Orientarea rotorului 1 cu pale 2 la direcţia curenţilor de aer se efectuează prin intermediul roţilor-vindroză 5, legate cu rotorul printr-un lanţ cinematic.

În cazul în care direcţia vântului este perpendiculară pe suprafaţa baleiată a rotorului 1 cu palele 2, roţile-vindroză 5 (fig. 2 şi 3) având profiluri asimetrice (oglindă) nu se rotesc sub acţiunea fluxului de aer. Roţile-vindroză 5 încep să se rotească într-o direcţie sau alta doar în cazul în care direcţia vântului se schimbă şi formează un unghi oarecare cu axa de rotaţie a rotorului 1.

Palele roţilor-vindroză 5 cu profil aerodinamic sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei vântului sub un anumit unghi forţele aerodinamice dezvoltate de pale impun roţilor- vindroză 5 o mişcare de rotaţie. Mişcarea de rotaţie de la roţile-vindroză 5, prin intermediul celor două angrenaje cu melc 15 şi 16, 17 şi 18 (vezi fig. 2 şi 3), se transmite corpului 4 al gondolei, care împreună cu rotorul 1 se vor roti în jurul axei turnului 8.

Astfel, în funcţie de direcţia schimbată a vântului, rotorul 1 cu pale 2 se va roti în jurul axei turnului 8 după sau împotriva sensului de mişcare a acelor de ceasornic.

Rotirea rotorului 1 în jurul axei turnului 8 va dura până când planul de rotaţie a roţilor-vindroză 5 va coincide cu direcţia vântului, iar planul de rotaţie a rotorului 1 se va poziţiona perpendicular pe direcţia vântului.

Soluţiile tehnice propuse în invenţie sunt menite să sporească eficienţa conversiei potenţialului energetic eolian disponibil în energie termică, şi anume prin sporirea valorii factorului de performanţă Cp al profilului aerodinamic al palelor rotorului. În turbinele eoliene cu generatoare electrice, rotorul cu pale aerodinamice este proiectat astfel încât potenţialul energetic eolian disponibil la vitezele curenţilor de aer de la 3 m/s până la 10…12 m/s să fie convertit în energie utilă cu o eficienţă maximal posibilă. Pentru viteze ale curenţilor de aer mai mari de 10…12 m/s rotorul aerodinamic este conceput astfel încât să se asigure limitarea puterii mecanice pentru a proteja generatorul electric de suprasarcini. Deci, la viteze ale vântului de până la 12 m/s, eficienţa conversiei este determinată de profilul aerodinamic al palelor cu factorul de performanţă Cp. De aceea, la proiectarea rotoarelor aerodinamice se ţine cont de coeficientul Cp şi factorul de suprasarcină a generatorului electric, care nu trebuie să depăşească 1,2…1,3 din sarcina nominală convertită la viteze ale curenţilor de aer de 10…12 m/s. În acest caz forma profilului aerodinamic trebuie să asigure autofrânare la viteze mari (V>11…12 m/s), sau trebuie micşorată proiecţia suprafeţei baleiate de către palele rotorului pe planul perpendicular pe direcţia curentului de aer.

Din aceste considerente rezultă că rotoarele aerodinamice pentru turbine eoliene cu generatoare electrice la viteze ale curenţilor de aer mai mari decât cea nominală trebuie să asigure limitarea puterii eoliene convertite în energie utilă, fapt care conduce în consecinţă la diminuarea bruscă a eficienţei conversiei potenţialului energetic eolian în energie electrică.

În fig. 6 este prezentată caracteristica de performanţă Cp (λ) a profilului aerodinamic, care conform literaturii de specialitate se utilizează la proiectarea rotoarelor aerodinamice pentru turbine eoliene electrice. Totodată, la proiectarea rotoarelor aerodinamice pentru turbine eoliene cu generatoare termice cu curenţi turbionari, care suportă suprasarcini de 2…2,5 ori mai mari decât în cele electrice, factorul de performanţă Cp (λ) al profilului aerodinamic pentru viteze ale vântului mai mari decât 8…9 m/s este raţional să crească (profilul 1). Această precondiţie va conduce la sporirea cantităţii de energie eoliană convertită în energie termică.

O rezervă în acest sens ar fi sporirea valorică a factorului de performanţă Cp (λ) al profilurilor aerodinamice pentru viteze ale vântului mai mari de 8…9 m/s, care poate fi realizată prin diminuarea influenţei negative a fenomenului de separare a stratului limită la curgerea fluidului în direcţia transversală palei.

Aceasta reprezintă scopul invenţiei, realizat prin utilizarea palelor cu profil aerodinamic cu guri de aspiraţie localizate în zona bordului de atac şi de refulare - în zona adiacentă bordului de fugă, unite între ele printr-un tunel pentru circulaţia aerului sub presiune. Prin tunel se transportă o parte din energie din zona bordului de atac cu presiune mai mare către zona bordului de fugă cu presiune mai mică, fapt care diminuează separarea stratului limită la curgerea fluidului de-a lungul cordului palei şi, respectiv, creşte factorul de performanţă Cp (λ) al palei aerodinamice şi eficienţa conversiei la viteze mari ale curenţilor de aer.

Conform literaturii de specialitate, la interacţiunea fluidului cu pala cu profil NACA4415 integru (fără gurile de aspiraţie şi de refulare) cu unghiul de atac de 17° separarea stratului limită începe aproximativ de la mijlocul cordului şi se răspândeşte până în zona bordului de fugă (vezi fig. 7).

În fig. 8 este prezentată imaginea curgerii fluidului la interacţiunea cu pala aerodinamică cu gurile de aspiraţie şi de refulare, care demonstrează efectul pozitiv al soluţiilor tehnice propuse în invenţie, şi anume diminuarea cantitativă a separării stratului limită, iar datorită acestui fapt creşte factorul de performanţă aerodinamică Cp (λ) al palei cu gurile de aspiraţie şi de refulare şi eficienţa conversiei energiei eoliene.

Majorarea factorului de performanţă aerodinamică Cp (λ) prin diminuarea gradului de influenţă negativă a fenomenului de separare a stratului limită poate fi demonstrată şi apreciată prin simulări pe calculator.

Pentru realizarea scopului invenţiei privind sporirea eficienţei conversiei energiei eoliene prin majorarea factorului de performanţă Cp (λ) al profilului este necesar de realizat următoarele:

1. În funcţie de caracteristicile de putere prestabilite (de proiect) ale dispozitivului de transformare a energiei, de exemplu, generatorului termic cu curenţi turbionari, se determină: diametrul rotorului aerodinamic pe vârful palelor; modelul profilului aerodinamic al palelor; unghiul de atac.

2. Se stabilesc preventiv valorile corespunzătoare ale factorului de performanţă aerodinamică Cp (λ) pentru viteze ale vântului de 8…22 m/s, care ar întruni realizarea caracteristicilor de putere ale dispozitivului de transformare a energiei.

3. Pentru profilul şi unghiul de atac selectate se efectuează simulări ale interacţiunii palei cu fluidul, spre exemplu, în ANSYS CFX 12.1.

4. În baza analizei rezultatelor simulării şi a gradului de separare a stratului limită se stabilesc parametrii geometrici şi topografici ai gurilor de aspiraţie şi de refulare a aerului, şi anume: zonele de amplasare a deschizăturilor sau orificiilor, dimensiunile deschizăturilor sau diametrul şi densitatea orificiilor.

5. Se determină coeficienţii de portanţă CL, de rezistenţă CD şi factorul de performanţă Cp (λ) al profilului aerodinamic pentru viteze de 8…22 m/s.

6. Pentru valorile factorului de performanţă Cp (λ) al profilului aerodinamic se determină puterea energiei convertite de către rotorul aerodinamic cu pale cu profil aerodinamic cu gurile de aspiraţie şi de refulare.

7. Se fabrică pala aerodinamică cu profil aerodinamic cu gurile de aspiraţie şi de refulare conform soluţiilor tehnice propuse în invenţie.

1. MD 4212 B1 2013.03.31

Claims (4)

1. Turbină eoliană, care conţine un turn (8), pe care este amplasat un rotor (1) cu pale (2) cu profil aerodinamic, instalat pe un butuc (6) într-o gondolă, montată cu posibilitatea rotirii ei în jurul axei turnului (8) prin intermediul roţilor-vindroză (5), cuplate cu un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, precum şi un dispozitiv de transformare a energiei (9), legat cinematic cu rotorul (1), caracterizată prin aceea că fiecare pală (2) este dotată cu o gură de aspiraţie (25) a aerului sub presiune, amplasată longitudinal în zona bordului de atac, şi o gură de refulare (26), amplasată în zona adiacentă bordului de fugă, pe partea dorsală a palelor (2), totodată gurile de aspiraţie (25) şi de refulare (26) sunt executate ca deschizături în învelişul (27) palelor (2), gurile (25) şi (26) fiind unite între ele printr-un tunel (28) pentru circulaţia aerului, executat între învelişul (27) părţii dorsale a palei (2) şi învelişul (29) echidistanţat de învelişul (27).

2. Turbină eoliană, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că în tunel (28) este amplasată o carcasă (30) gofrată cu proeminenţe transversale.

3. Turbină eoliană, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că gurile de aspiraţie (25) şi de refulare (26) sunt executate în formă de orificii (31 şi 32) amplasate în fâşii pe lungimea palelor (2) în zonele bordului de atac şi bordului de fugă, unite între ele prin tunelul (28) executat comun.

4. Turbină eoliană, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că în tunel (28) este amplasat un strat de granule (33), de exemplu sferice din poliuretan, lipite între ele cu posibilitatea circulării aerului de la gura de aspiraţie (25) către gura de refulare (26).