PL179368B1 - Silnik wiatrowy - Google Patents

Abstract

Silnik wiatrowy o pionowej osi obrotu, znamienny tym, że ma jedną pionową prostą, lub wygiętą łukowo łopatę napędową (5) o typowo symetrycznym profilu aerodynamicznym, a po przeciwnej stronie osi obrotu w stosunku do łopaty napędowej usytuowana jest przeciwwaga (6) w postaci podłużnego płata o kształcie opływowym ze sprężyną zwrotną, osadzonego mimośrodowo na pionowej osi obrotu, przy czym stosunek cięciwy (C) profilu łopaty napędowej (5) do promienia (R) wirnika silnika zawarty jest w granicach 0,15 -s- 0,35.

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik wiatrowy o pionowej osi obrotu przeznaczony przede wszystkim do napędu prądnicy asynchronicznej obcowzbudnej lub prądnicy bocznikowej prądu stałego.

Znane są silniki wiatrowe o pionowej osi obrotu wyposażone w co najmniej dwie lub więcej łopaty napędowe, najczęściej pionowe, zamocowane na końcach poprzecznych ramion osadczych. Łopaty napędowe mogą też mieć kształt łukowato wygięty z końcami osadzonymi bezpośrednio na pionowej osi masztu, jak np. w turbinie Darrieusa. Silniki te są urządzeniami średniobieżnymi mającymi znamionowy wyróżnik szybkobieżności równy 4 + 6. Zastosowane do napędu prądnic elektrycznych wykazują szereg wad i niedogodności, których usunięcie lub ograniczenie napotyka na znaczne przeszkody techniczne. Elektrownie ze znanymi silnikami wiatrowymi o pionowej osi obrotu muszą być wyposażone w wielostopniowe przekładnie mechaniczne zwiększające obroty. Przekładnie te, najczęściej zębate, mają skomplikowaną budowę, są drogie i często zawodne w działaniu oraz są źródłem uciążliwych drgań mechanicznych i obniżają ogólną sprawność energetyczną elektrowni wiatrowej.

Znane są także silniki wiatrowe o wysokiej szybkobieżności jak np. silnik Bauera, który charakteryzuje się wyróżnikiem szybkobieżności w granicach 12 + 20. Jest to silnik z jednopłatowym śmigłem osadzonym na poziomym wale obrotowym. Wymaga on zainstalowania na odpowiednio wysokiej wieży, co znacznie podraża koszty budowy oraz tak jak i inne silniki wiatrowe o poziomej osi obrotu musi mieć mechanizm ustawiania na wiatr.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego silnika wiatrowego, który posiadając zalety silnii^tó^wo pionowej osi obrotu miałby szybkobieżność zbliżoną do jednopłatowego poziomoobrotowego silnika Bauera. Okazało się, że postawiony cel można zrealizować w stosunkowo prosty sposób stosując tylko jedną łopatę napędową w silniku pionowoobrotowym.

Istota wynalazku polega na tym, że silnik wiatrowy o pionowej osi obrotu ma jedną pionową prostą, lub wygiętą łukowo łopatę napędową o typowo symetrycznym profilu aerodynamicznym, przy czym po przeciwnej stronie osi obrotu w stosunku do łopaty napędowej usytuowana jest przeciwwaga, w postaci podłużnego płata o kształcie opływowym ze sprężyną zwrotną, osadzonego mimośrodowo na pionowej osi obrotu. Stosunek cięciwy łopaty napędowej do promienia wirnika jest zawarty w granicach 0,15 + 0,35.

Silnik wiatrowy według wynalazku wykazuje szereg korzystnych skutków technicznych, których najważniejszym jest uzyskanie o ok. 40 % większej szybkobieżności w stosunku do znanych silników wiatrowych o pionowej osi obrotu. Ograniczenie liczby łopat napędowych do jednej daje istotne obniżenie masy silnika wiatrowego i zmniejszenie kosztów jego budowy. Zwiększona szybkość silnika umożliwia zastosowanie zamiast drogiej wielostopniowej przekładni zębatej znacznie tańszej przekładni pasowej lub łańcuchowej.

Przeciwwaga zamocowana po przeciwnej stronie łopaty napędowej równoważy siły odśrodkowe jakim poddana jest łopata w ruchu, a równocześnie jako hamulec aerodynamiczny przy niebezpiecznym wzroście obrotów łopaty napędowej ogranicza jej prędkość kątową.

179 368

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku schematycznym w widoku bocznym.

Na kratownicowym maszcie 1 zakończonym na wierzchołku łożyskiem 2 zamocowany jest obrotowo wał napędowy 3, do którego przytwierdzone jest jedno ramię osadcze 4 pionowej łopaty napędowej 5 osadzonej na końcu ramienia. Łopata napędowa ma typowy symetryczny profil aerodynamiczny o stałej cięciwie C. Do wału 3 po przeciwnej stronie w stosunku do łopaty napędowej przytwierdzona jest przeciwwaga 6, która spełnia również funkcję hamulca aerodynamicznego uruchamianego siłą odśrodkową. Przeciwwaga ma element roboczy o profilu opływowym umocowany obrotowo na mimośrodzie. Stabilizację elementu roboczego przeciwwagi w optymalnym położeniu zapewnia sprężyna zwrotna. Na dolnym końcu wału 3 nasadzone jest koło pędne przekładni 7, która przenosi napęd na prądnicę elektryczną 8, przytwierdzoną do masztu 1. Wał napędowy 3, ramię osadcze 4, pionowa łopata napędowa 5, przeciwwaga 6 i koło pędne przekładni 7 stanowią wirnik silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu, o promieniu R.

Dla uzyskania założonej szybkobieżności silnika stosunek cięciwy C profilu łopaty do promienia R wirnika winien się mieścić w granicach 0,15 * 0,35. Podany przedział wynika z warunku minimalizacji oporów aerodynamicznych silnika, które są zależne od stosunku czynnej powierzchni łopaty napędowej do powierzchni omiatanej przez wirnik.

Silnik według wynalazku przeznaczony jest do napędu prądnicy asynchronicznej pracującej równolegle z siecią elektroenergetyczną prądu przemiennego lub do napędu prądnicy bocznikowej pracującej równolegle z innym źródłem prądu stałego, np. z baterią akumulatorów.

Rozruch silnika wiatrowego odbywa się przy pracy silnikowej wymienionych maszyn elektrycznych. Po uzyskaniu przez łopatę napędową prędkości obwodowej ok. 3-krotnie większej od prędkości wiatru, silnik uzyskuje dodatni moment napędowy, maszyna elektryczna przechodzi ze stanu pracy silnikowej do stanu pracy prądnicowej przesyłając energię elektryczną do sieci, do której jest przyłączona. Wzrost prędkości wiatru powoduje wzrost mocy silnika wiatrowego i zwiększenie mocy elektrycznej oddawanej do sieci. Nadmierny wzrost prędkości kątowej, wywołany dużą prędkością wiatru lub odłączeniem prądnicy od sieci, powoduje zadziałanie hamulca aerodynamicznego, który ograniczy obroty całego urządzenia.

179 368

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Silnik wiatrowy o pionowej osi obrotu, znamienny tym, że ma jedną pionową prostą, lub wygiętą łukowo łopatę napędową (5) o typowo symetrycznym profilu aerodynamicznym, a po przeciwnej stronie osi obrotu w stosunku do łopaty napędowej usytuowana jest przeciwwaga (6) w postaci podłużnego płata o kształcie opływowym ze sprężyną zwrotną, osadzonego mimośrodowo na pionowej osi obrotu, przy czym stosunek cięciwy (C) profilu łopaty napędowej (5) do promienia (R) wirnika silnika zawarty jest w granicach 0,15 + 0,35.