PL200550B1 - Turbina wiatrowa o osi pionowej - Google Patents

Abstract

Turbina wiatrowa wed lug wynalazku zawiera wirnik zaopatrzony w wiele ramion zamocowa- nych w równych odst epach k atowych wokó l pionowej osi i wiele lopatek ustawionych w blo- ki, gdzie liczba bloków lopatek wybierana jest z zakresu liczb: dwa, trzy, przy czym ka zdy z bloków lopatek (2, 3) zaopatrzony jest w czte- ry lopatki (4) ustawione zasadniczo równolegle do osi obrotu, przy czym kolejne lopatki w blo- kach (2, 3) bli zsze osi obrotu s a przesuni ete wzgl edem osi symetrii ka zdego bloku w kierun- ku obrotu wirnika (1). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o osi pionowej, wykorzystywana do napędzania prądnic wiatrowych w celu przetwarzania energii wiatru w energię elektryczną.

Wcześniejsze rozwiązanie wirnika turbiny wiatrowej jest znane ze zgłoszenia patentowego RU 2135824. Znany wirnik turbiny wiatrowej składa się z dwóch esowatych łopatek zamocowanych na pionowym trzonie. Esowate łopatki są przytwierdzone do obrotowych równoległych poprzeczek umocowanych sztywno do pionowego trzonu. Ponadto punkty zamocowania łopatek znajdują się na osi symetrii łopatki za jej środkiem ciężkości w kierunku od wierzchołka esowatej łopatki. Wadą opisanej powyżej znanej obrotowej turbiny wiatrowej jest złożona budowa wirnika, niski zakres mocy i stosunkowo niska wydajność.

Znana jest także inna obrotowa turbina wiatrowa ze zgłoszenia patentowego RU 2096259. Obrotowa turbina wiatrowa tego rozwiązania jest wyposażona w górne i dolne podkładki talerzowe i mechanizm obracania łopatek. Oś podkładek leży w pionowej osi obrotu. Na dolnej powierzchni łopatek zamocowane są lokalizatory położenia, które mogą wchodzić w otwory wykonane w podkładkach. Mechanizm obracania łopatek zawiera element, który jest przymocowany do trzonu wirnika umieszczonego na dolnej podkładce. Wadą tej turbiny wiatrowej jest niedostateczna niezawodność, niedostateczny zakres mocy i nie dość wysoka wydajność.

Znana jest także turbina wiatrowa o osi poprzecznej do kierunku wiatru ze zgłoszenia patentowego EP 0679805 A1. Turbina ta posiada zespół wirnika wiatrowego na wiatr boczny, zaopatrzony na obwodzie w wiele nastawnych łopatek, zamontowanych równolegle do osi wirnika. Każda łopatka łączy się za pośrednictwem elementu przekazującego przestawienie kątowe z inną nastawną powierzchnią aerodynamiczną lub stabilizatorem, zamontowanymi na tym samym ramieniu promieniowym, na mniejszym promieniu, dzięki czemu podczas obrotu łopatka i stabilizator mogą się obracać jednocześnie i zasadniczo wzajemnie równolegle w trakcie ustawiania się do kąta nachylenia, gdzie przeciwdziałający moment ustawienia kąta nachylenia wywoływany przez aerodynamiczne siły unoszenia łopatki i stabilizatora wzajemnie się równoważą, i gdzie aerodynamiczne siły unoszenia osiągają optimum w celu wywołania momentu potrzebnego do obrócenia wirnika. Wadą turbiny wiatrowej tego rozwiązania jest niedostateczna niezawodność, niedostateczna wydajność i skomplikowana budowa turbiny wiatrowej.

Znane jest również rozwiązanie turbiny wiatrowej przedstawione w zgłoszeniu patentowym JP 58057082 A1, gdzie opisano dwukierunkową, pneumatyczną turbinę o przepływie osiowym w tunelu aerodynamicznym. Trzon, zamontowany obrotowo w tunelu aerodynamicznym, jest wyposażony w wiele ramion usytuowanych promieniowo w równych odstępach kątowych wokół trzonu, podczas gdy podobne do skrzydeł łopatki są odpowiednio zainstalowane na tych ramionach stycznie w tym samym kierunku obrotu na współśrodkowych orbitach wokół trzonu. Wadą tego rozwiązania turbiny wiatrowej jest również niedostateczna niezawodność, niedostateczny zakres mocy i nie dość wysoka wydajność.

Celem niniejszego wynalazku jest podwyższenie wydajności i mocy turbiny poprzez zastosowanie wysokiej prędkości obrotowej wirnika i polepszenie przyspieszenia rozruchowego wirnika.

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest turbina wiatrowa o osi pionowej, która składa się z wirnika wyposażonego w wiele ramion zamontowanych w równych odstępach kątowych wokół pionowej osi oraz wiele łopatek ustawionych w bloki, przy czym liczba bloków łopatek jest dobierana z zakresu liczb: dwa, trzy; zaś każdy z bloków łopatek jest wyposażony w cztery łopatki, ustawione zasadniczo równolegle do osi obrotu, przy czym kolejne łopatki w blokach bliższe osi obrotu są przesunięte względem osi symetrii każdego bloku w kierunku obrotu wirnika.

Korzystne jest wyposażenie turbiny wiatrowej w dwa bloki łopatek a w każdym bloku cztery łopatki ustawione w taki sposób, że łopatki w blokach są przesunięte w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem osi symetrii dwóch bloków. W innym rozwiązaniu turbiny korzystne jest wyposażenie turbiny wiatrowej w trzy bloki łopatek, a w każdym bloku cztery łopatki ustawione w taki sposób, że są one przesunięte w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem osi symetrii każdego bloku.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny rzut układu łopatek, fig. 2 - silnik wiatrowy w rzucie z góry, a fig. 3 - profil łopatki.

PL 200 550 B1

Zgodnie z oznaczeniami jak na rysunku turbinę wiatrową o osi pionowej stanowi wirnik (1) wyposażony w dwa symetryczne ramiona utrzymujące bloki (2) i (3) aerodynamicznych łopatek (4), gdzie każdy blok składa się korzystnie z czterech łopatek we właściwej dla turbiny konfiguracji. Ramiona z blokami (2) i (3) aerodynamicznych łopatek (4) są zamocowane na centralnym trzonie pionowym (5) w równych odstępach kątowych, co 180°. Profile łopatek mają kształt poddźwiękowych profili aerodynamicznych.

Łopatki (4) w bloku (2) i odpowiednio ustawione łopatki (4) w bloku (3) są przesunięte w stosunku do osi symetrii O-O bloków (2) i (3) w kierunku obrotów wirnika (1) wskazanym strzałką. Wirnik (1) turbiny wiatrowej według wynalazku, przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara pod działaniem przepływu powietrza z prędkością Vb.

Na wydajność turbiny wiatrowej ma wpływ szereg niżej wymienionych parametrów konstrukcyjnych: γ - skok łopatek, stanowiący odległość pomiędzy łopatkami w płaszczyźnie równoległej do osi symetrii wirnika, φρ - kąt zamocowania bloków łopatek na wirniku, utworzony pomiędzy osią wirnika a osią symetrii bloku łopatek, χ - przesunięcie łopatek w płaszczyźnie prostopadłej do osi symetrii wirnika, b - cięciwa profilu łopatki, stanowiąca jej długość, oraz współczynnik przysłaniania (K3) stanowiący stosunek całkowitej długości rzutu wszystkich łopatek ustawionych zasadniczo równolegle do osi obrotu wirnika do połowy średnicy wirnika turbiny wiatrowej, czyli:

K3 = (b + 3x):D/2.

Ustalono, że wartości parametrów turbiny mogą zawierać się w następujących przedziałach:

- skok łopatek (γ): 0,4 do 0,6 b;

- kąt zamocowania (φ,^) bloków łopatek: 0 do 5°;

- przesunięcie (χ) łopatek: 0,4 do 0,6 1°;

- wartość współczynnika przysłaniania (K3): 0,3 do 0,5;

Jednakże podczas testowania modeli wyposażonych w poddźwiękowe profile łopatek aerodynamicznych stwierdzono, że optymalne wartości poniższych parametrów są następujące:

γ = 0,5 b; φ) = 0° χ = 0,5 b;

K3 < 0,5.

Wartość cięciwy (b) profilu łopatki jest określona w zależności od liczby profili łopatek, przyjętych wartości współczynnika przysłaniania (K3) oraz średnicy (D) wirnika turbiny wiatrowej. Ustalono, że optymalna liczba bloków wynosi dwa, ale optymalny zakres liczby profili łopatek w każdym bloku nie przekracza czterech. Jednakże liczbę bloków łopatek aerodynamicznych w turbinie wiatrowej można określić pod warunkiem, że wartość współczynnika przysłaniania K3 < 0,5. Ze względu na wymagania siły i mocy najbardziej korzystna liczba bloków łopatek wynosi dwa lub trzy.

Obrotowa turbina wiatrowa z łopatkami ustawionymi zasadniczo równolegle do osi obrotu może być wykorzystywana w sposób najbardziej wydajny jako turbina wiatrowa dużej mocy o wymiarach:

średnica D > (6 + 10) m; wysokość H = (1,0 + 1,5) D.

Moc jednostkową (Ń) jednego rzędu aerodynamicznych profili łopatek przy optymalnych warunkach działania można określić z doświadczalnej zależności:

Ń = N/S = a x ρ x υ_π ³/10³ (k W/m²) gdzie:

N = całkowita moc jednego rzędu łopatek dwóch bloków,

S = całkowita powierzchnia łopatek rozmieszczonych w jednym rzędzie dwóch bloków; υ_π = obwodowa prędkość łopatek ustawionych w jednym rzędzie dwóch bloków (m/s); ρ - gęstość powietrza (kg/m³) a = współczynnik wydajności charakterystyki aerodynamicznej ustawionych zasadniczo równolegle do osi obrotu profili łopatek; współczynnik ten jest ustalony podczas testowania pełnowymiarowych turbin wiatrowych zaopatrzonych w określone profile łopatek.

PL 200 550 B1

Wirnik turbiny wiatrowej obraca się pod działaniem prądu powietrza o prędkości Vb uruchamiając generator elektryczny lub inne urządzenie i zapewniając przetwarzanie energii wiatru w energię elektryczną lub mechaniczną.

Na podstawie wyników testowania modeli stwierdzono, że turbina wiatrowa według wynalazku umożliwia znaczne zwiększenie wydajności turbiny wiatrowej dzięki skuteczniejszemu wykorzystaniu właściwości aerodynamicznych profili łopatek w konfiguracji charakterystycznej dla turbiny; praktycznie wydajność ξ przekracza 0,8, czyli maksymalna wydajność ξ_Π3Χ > 0,8, jak również umożliwia zwiększenie mocy turbiny wiatrowej dzięki utrzymaniu określonej prędkości obrotowej wirnika w wyniku poszerzenia zakresu zmienności wartości współczynnika przysłaniania (K₃) do K₃ < 0,5 w porównaniu do dotychczas stosowanego w turbinach wiatrowych współczynnika K3 < 0,3.

Turbina wiatrowa według wynalazku umożliwia też polepszenie przyspieszenia rozruchowego turbiny wiatrowej dzięki zastosowaniu charakterystycznej dla turbin konfiguracji łopatek.

Dalszą poprawę parametrów mocy turbiny wiatrowej można osiągnąć przez polepszenie własności aerodynamicznych poddźwiękowych profili łopatek wykorzystywanych w charakterystycznych dla turbin układach silników wiatrowych za pomocą urządzeń mechanicznego uruchamiania łopatek, np. zastosowanie klapy przedniej, klapy krawędzi spływu, urządzeń wypływowych dla warstwy gra-

Claims (1)

1. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, zawierająca wirnik zaopatrzony w wiele ramion zamocowanych w równych odstępach kątowych wokół pionowej osi i wiele łopatek ustawionych w bloki, gdzie liczba bloków łopatek wybierana jest z zakresu liczb: dwa, trzy, znamienna tym, że każdy z bloków łopatek (2, 3) zaopatrzony jest w cztery łopatki (4) ustawione zasadniczo równolegle do osi obrotu, przy czym kolejne łopatki w blokach (2, 3) bliższe osi obrotu są przesunięte względem osi symetrii każdego bloku w kierunku obrotu wirnika (1).