PL167932B1 - Turbina wiatrowa - Google Patents

Abstract

Turbina wiatrowa zawierająca obudowę z wirnikiem osadzoną obrotowo na pionowej osi, znamienna tym, że posiada wirnik (2) zabudowany na cylindrze (1) umieszczonym w środkowym członie (A) zawierającym wlotowy kanał (4) i wylotowy kanał (5), przy czym do środkowego członu (A) jest przyłączona z przodu, od strony wlotu powietrza, rozszerzająca się na zewnątrz co najmniej jedna wlotowa komora (B) z ruchomymi płatami (22), z tyłu natomiastjest przyłączona co najmniej jedna, rozszerzająca się na zewnątrz wylotowa komora (C) z ruchomymi płatami (24).

Description

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa przeznaczona zwłaszcza do wytwarzania energii elektrycznej, oraz do napędu jednostek pływających.

Wynalazek ma zastosowanie jako siłownia lądowa wytwarzająca energię elektryczną, lub napędzająca inne odbiorniki mocy, oraz jako siłownia służąca do napędu obiektów pływających, dodatkowo - w porównaniu z siłownią lądową - wykorzystująca siłę naporu wiatru na obudowę turbiny do realizacji ruchu jednostki.

Wadą znanych, obecnie stosowanych silników i siłowni wiatrowych jest ich mała czułość i mała efektywność wykorzystania wiatru. Praktycznie silniki te nie dostarczają mocy przy prędkościach wiatru poniżej 7 m/sek. Wada powyższa znacznie zawęża wykorzystanie silnika wiatrowego tylko do tych okresów, gdy prędkość wiatru przekracza 8 m/sek. - czyli nie więcej niż połowa godzin pracy w ciągu roku. Podnoszenie wirnika i budowa b. wysokich wież jest mało efektywne, ponieważ przerost prędkości wiatru w funkcji wysokości nie jest zbyt duży. Dopiero na wysokości ~ 100 m prędkość wiatru wzrasta ~ 50%. Następną wadą silników wiatrowych, dotyczącą silników o dużej rozpiętości wirników, a więc dużej powierzchni chwytania wiatru, są niskie obroty wirników. Wynika to ze wzrostu sił odśrodkowych w kwadracie prędkości obrotowej, oraz w funkcji promienia wirnika. Ponadto ze wzrostem średnic i obrotów znacznie wzrastają kłopoty związane z niewyważeniem wirnika oraz siłami odśrodkowymi. Związana z powyższym konieczność ograniczania obrotów dużych wirników, nie zezwala na uzyskanie większych mocy. Wadą natomiast małych szybkoobrotowych wirników jest właśnie ich mała powierzchnia czołowa chwytania wiatru. Ponadto wadą wszystkich obecnie stosowanych silników wiatrowych jest bardzo słabe wykorzystanie strugi powietrza płynącej w rejonie osi obrotu wirnika - nie wywiera ona praktycznie momentu obrotowego.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie wyżej wymienionych wad.

Istotą wynalazku jest turbina zawierająca obudowę osadzoną obrotowo na poziomej osi, posiadająca umieszczony w środkowym członie obudowy opływowy cylinder z co najmniej

167 932 jednym wirnikiem, posiadający rozmieszczone wokół siebie kanały doprowadzające strugi powietrza na wirnik, oraz kanały odprowadzające. Do środkowego członu zawierającego cylinder i wirnik przyłączona jest z przodu, od strony wlotu powietrza, rozszerzająca się na zewnątrz, co najmniej jedna wlotowa komora z ruchomymi płatami poszycia bocznego, z tyłu natomiast jest przyłączona, co najmniej jedna, rozszerzająca się na zewnątrz wylotowa komora z również ruchomymi płatami poszycia bocznego. Całość obudowy turbiny wraz ze szkieletem zamocowana jest obrotowo na kołowej bieżni konstrukcji wsporczej.

Wirnik turbiny sprzężony jest z wałem przekazania napędu, przekładnią obrotów i momentu obrotowego, sprzęgłem jednokierunkowym, i kołem zamachowym o dużym momencie bezwładności posiadającym dodatkowe urządzenie rozruchowe.

Koło zamachowe sprzężone jest z ostatecznym odbiornikiem napędu.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładach wykonania, na których fig. 1 i 2 przedstawiają w widoku z boku i przodu siłownię zabudowaną na podstawie wykorzystanej do celów gospodarczych lub warsztatowych, fig. 3 przedstawia opływowy cylinder z wirnikami zamocowany we wnętrzu obudowy turbiny, fig. 4 przedstawia małą siłownię zamontowaną na wieży, fig. 5 i 6 - obrazuje dużą siłownię lądową, wykonaną w wersji o uproszczonych kształtach komór wlotowych i wylotowych powietrza, umieszczoną na płaskiej kołowej podstawie , fig. 7 - obrazuje schematycznie dalsze przykłady uproszczonych wersji komór wlotowych w widoku czołowym, fig. 8 i 9 przedstawia wersję siłowni zabudowanej na statku dwukadłubowym, odpowiednio w widoku z boku na fig. 8, oraz z przodu turbiny, a tyłu statku na fig. 9.

Przedstawiona w widoku z boku na fig. 1, oraz na fig. 2 uwidoczniona z przodu, siłownia wiatrowa zbudowana jest ze środkowego członu A mieszczącego w sobie owalny, opływowy cylinder 1 z zabudowanymi w nim wirnikami 2 i 3, tworzący we wnętrzu członu A kanały 4 i 5 przepływu powietrza przez wirniki. Do członu A z przodu zamocowano wlotowe komory Bi i B 2, z tyłu natomiast wylotową komorę C. Całość wieloczłonowej obudowy turbiny spoczywa na szkielecie 6 zamocowanym obrotowo względem osi 7 w zespole łożysk 8, oraz z tyłu podpartym podporą 9 zakończoną tocznym zespołem 10 mocującym tocznie podporę 9 do okrągłego pierścienia podstawy 11 zamocowanej na belkach 12. Belki 12 umiejscowiono na szkielecie piramidy nośnej, mocującym również zespół tocznych łożysk 8. Piramida nośna służy jednocześnie jako pomieszczenie warsztatowe lub gospodarcze. Wirniki 2 i 3 napędzają pionowy wał 13 przekazujący obroty poprzez czujnik 14 momentu obrotowego, mechaniczną przekładnię 15 oraz jednokierunkowe sprzęgło 16 na zamachowe koło 17 napędzające generator 18 poprzez pasową lub łańcuchową przekładnię 19. Rozruchowe urządzenie 20 służy do wprowadzania koła 17 w zakres obrotów (np. 200 obr/min) umożliwiający dalsze rozpędzanie koła 17 napędem głównym czyli wałem 13 do znamionowych obrotów pracy. Ustawianie obudowy turbiny komorą B 2 do wiatru realizuje urządzenie 21 napędzające toczny zespół 10. Przesunięcie Ho środka O oporu aerodynamicznego względem osi obrotu 7 zapewnia przy silniejszym wietrze samoczynne ustawienia obudowy na wiatr.

Otwieranie komór B1, B 2, C a także cylindra 1 i przepuszczenie nadmiernego naporu powietrza poza turbiną polega na odchyleniu płatów 22 komory B1, płatów 23 komory B 2, płatów 24 komory C oraz płatów 25 poszycia cylindra 1 i ustawieniu ich wzdłuż przepływających strug powietrza. Powoduje to radykalne zmniejszenie oporów aerodynamicznych. Ponadto komory B1, B 2 i cylinder 1 przestają wtłaczać powietrze do turbiny, natomiast człon C znacznie zmniejsza wysysanie. Jedynie środkowy człon A nie zmienia swych parametrów, ale jego opór aerodynamiczny jest mały w porównaniu z członami otwierającymi się.

Zamykanie opisanych wyżej członów polega na samoczynnym powrocie płatów 22, 23, 24 i 25 do położenia wyjściowego. Odchylanie i powrót do położenia wyjściowego płatów 22, 23, 24 i 25 polega na ich obracaniu względem osi prętów 26, 27, 28, 29 natomiast pierścienie 30, 31, 32, 33 i 34 synchronizują równomierne i jednoczesne otwieranie oraz zamykanie poszczególnych płatów w każdym z członów. Płaty otwieranych i zamykanych członów, zarówno w położeniu zamkniętym jak i otwartym, dociskane są do krańcowych elementów oporowych z ustaloną siłą napięcia wstępnego. Otwieranie poszczególnych członów następuje w ustalonej kolejności przy różnych prędkościach wiatru, np. człon B 2 otwiera się przy wietrze

167 932 ~ 12 m/s, człon Bi przy 20 m/s, człon C przy 25 m/s, natomiast cylinder 1 otwiera swój wewnętrzny przelotowy kanał 35 przy ~ 30 m/s, czyli praktycznie tylko przy huraganach.

Przedstawiony na fig. 3 przekrój przez cylinder 1 obrazuje schematycznie odbiór napędu z wirników 2 i 3, oraz wewnętrzny przelotowy kanał 35, wraz z otwierającymi i zamykającymi ten kanał płatami 25 i synchronizującym pierścieniem 34. Linia 36 obrazuje położenie płatów 25 w stanie otwartym. Wirniki 2 i 3 obracające się w przeciwnych kierunkach przekazują napęd na zębatą planetarną przekładnię 37, w której pierścień 38 planetarnych kół 39 nie obraca się. W tej sytuacji wirnik 3 związany ze środkowym słonecznym kołem 40, obraca się w przeciwnym kierunku, oraz większą prędkością obrotową niż wirnik 2 związany z zębatym zewnętrznym kołem 37. Wirnik 2 oprócz napędu spełnia dodatkowo funkcję kierownicy turbiny, oraz dzięki swojemu ruchowi obrotowemu wyrównuje intensywność przepływu strug powietrza na całym obwodzie wirnika. Napęd z planetarnej przekładni przekazany jest na zębatą kątową przekładnię 41 i na pionowy wał 13, lub w innej wersji wykonania, na generator 18 umieszczony bezpośrednio w cylindrze 1. Niewielkie wysokoobrotowe koło 42 służy jako stabilizator obrotów generatora.

Siłownia małej mocy przedstawiona na fig. 4 zamontowana jest na wieży 43 wzmocnionej cięgłami 44.

Przedstawiona na fig. 5 i 6 siłownia wiatrowa charakteryzuje się uproszczonym kształtem wlotowych komór B1 i B 2, oraz wylotowej komory C. Odchylne płaty 22, 23 i 24 otwieranych członów, zamocowane są obrotowo na bocznych i górnych krawędziach szkieletu obudowy. W położeniu zamkniętym płaty 22 i 23 dociskane do opływowych łączników 45, natomiast w położeniu otwartym do listw - zderzaków 46. Przerywana linia 47 obrazuje płaty 22, 23, 24 w położeniu otwartym. Z powodu uproszczonych kształtów członów wlotowych strumień powietrza dopływający do turbiny jest niejednorodny mając różne prędkości na obwodzie wirnika. W tej wersji więc rola obrotowej kierownicy, którą spełnia wirnik 2 jest istotna. Przy odpowiednich kątach ustawienia łopatek wirników 2 i 3, oraz odpowiednim dobrze przełożeń w planetarnej przekładni 37 zbierającej obroty od wirników 2 i 3 - na wyjściu z przekładni 37 otrzymuje się sumę momentów obrotowych od obu wirników. Cała, złożona z członu A i komór B1, B 2 C obudowa turbiny spoczywa na dolnym szkielecie 6 związanym z podłużnicami 48 osadzonymi suwliwie w prowadnicach 49 zamocowanych obrotowo na kołowej podstawie 11 za pomocą centralnego zespołu łożysk 8, oraz zespołu tocznych elementów 10. Suwliwe osadzenie obudowy turbiny w prowadnicach 49 zmniejsza obciążenie podstawy 11 przy nagłych krótkotrwałych uderzeniach wiatru, umożliwając przesunięcie obudowy do tyłu i łagodny wzrost obciążenia poprzez sprężyste elementy 50.

Przedstawiony na fig. 8 i 9 przykład siłowni wykorzystanej do napędu statku, w istocie działania i konstrukcji podobny jest do uprzednio opisanych. Posiada dodatkową wylotową komorę C 2, oraz inny sposób otwierania i zamykania poszczególnych komór obudowy. Posiada także inny sposób odbioru napędu - zamiast generatora 18, pionowy wał 13 poprzez czujnik 14, przekładnię 15, sprzęgło 16, zamachowe koło 17, oraz kątową przekładnię 51, napędza śrubę 52 osadzoną w tunelu 53.

Otwieranie poszczególnych członów obudowy rozwiązano w ten sposób, że płaty poszycia członów składają się wielokrotnie w sposób podobny do mieszka. W położeniu otwartym komory B1 płaty 22 złożone harmonijkowo zamocowane są do krawędzi 54 szkieletu, płaty 23 komory B 2, po złożeniu zamocowane są do komory C1 i C 2 po złożeniu przylegają do krawędzi 56. Wszystkie w/w komory po otwarciu, czyli po złożeniu harmonijkowym płatów poszycia umożliwiają żeglugę przy zwiniętych żaglach, wykorzystując jedynie stały człon A do napędu turbiny siłowni. Schematycznie wielkość powierzchni złożonych płatów 22, 23 i 24, czyli przy otwartych komorach B1, B 2, C1 i C 2 obrazują zakreskowane pola 57.

Cechą wspólną przedstawionych różnych wersji turbiny wiatrowej jest zachowanie dużej powierzchni chwytania przepływającego powietrza, oraz po wielokrotnym zwiększeniu jego prędkości w wieloczłonowej obudowie turbiny, wprowadzenie strumienia powietrza o dużej prędkości i energii na łopatki turbiny. Istotną cechą działania wieloczłonowej obudowy turbiny,

167 932 jest samoczynne lub wymuszone otwieranie poszczególnych komór i przepuszczanie poza turbiną zbyt silnie napierającego powietrza. Poszczególne komory otwierają się progresywnie w miarę wzrostu naporu wiatru. Obudowa turbiny zabudowana na obiekcie pływającym spełnia dodatkowo rolę tradycyjnych żagli. Taki napęd wykazuje szczególną skuteczność w przypadku gdy kierunek naporu wiatru nie pokrywa się z kierunkiem płynięcia statku.

34 38 37 2 3 39 40 18 35 1

167 932

\Ω

-ί

167 932

167 932

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1.50 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Turbina wiatrowa zawierająca obudowę z wirnikiem osadzoną obrotowo na pionowej osi, znamienna tym, że posiada wirnik (2) zabudowany na cylindrze (1) umieszczonym w środkowym członie (A) zawierającym wlotowy kanał (4) i wylotowy kanał (5), przy czym do środkowego członu (A) jest przyłączona z przodu, od strony wlotu powietrza, rozszerzająca się na zewnątrz co najmniej jedna wlotowa komora (B) z ruchomymi płatami (22), z tyłu natomiast jest przyłączona co najmniej jedna, rozszerzająca się na zewnątrz wylotowa komora (C) z ruchomymi płatami (24).
2. 2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że obudowa turbiny osadzona na szkielecie (6) zamocowana jest obrotowo względem osi (7) na centralnym zespole łożyska (8) konstrukcji wsporczej, oraz na tocznym zespole (10) współdziałającym z kołową bieżnią (11) konstrukcji wsporczej.
3. 3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik (2) jest sprzężony poprzez wał (13), przekładnię (15), i jednokierunkowe sprzęgło (16) z końcowym odbiornikiem napędu, oraz zamachowym kołem (17) posiadającym dodatkowe rozruchowe urządzenie (20).
4. 4. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik (2) jest sprzężony z drugim wirnikiem (3), o przeciwnym kierunku obrotów.
5. 5. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że cylinder (1) ma komorę z odchylnymi płatami (25), oraz przelotowy tunel (35).