PL216244B1 - Wirnik turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Wirnik posiada połączone z piastą (1) co najmniej dwa poziome wsporniki (2), na końcach których zamocowane są łopaty napędowe (3) o symetrycznym lub wklęsło-wypukłym profilu aerodynamicznym z malejącymi w kierunku obu końców skrzydeł (3a, 3b) długościami cięciwy (b1, b2) i grubości profilu. Skrzydło górne (3a) i skrzydło dolne (3b) łopaty napędowej (3) odgięte są od strefy środkowej (3c) promieniowo na zewnątrz. Kąt odgięcia względem osi obrotu wirnika ma wartość, przy której długości cięciw (b2) profilu na końcach obu skrzydeł (3a, 3b) i długość cięciwy (b1) w strefie środkowej (3c) są w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalne do promieni ich położenia względem osi obrotu wirnika. Kąt odgięcia skrzydła dolnego (3b) może być większy od kąta odgięcia skrzydła górnego (3a) albo długość skrzydła dolnego (3b) może być większa od długości skrzydła górnego (3a).

Description

Przedmiotem wynalazku jest wirnik turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, stosowany w turbinach wykorzystujących zasadę Darrieus'a przy przetwarzaniu energii wiatru w energię mechaniczną ruchu obrotowego.

Znane - przykładowo z opisów patentowych US 4264279 i US 4430044 - rozwiązania wirników turbin o pionowej osi obrotu, mają połączone z piastą wału napędowego co najmniej dwa poziome wsporniki z zamocowanymi pionowo na końcach łopatami napędowymi. Łopaty napędowe mają najczęściej symetryczny profil aerodynamiczny i połączone są ze wspornikiem w środkowej strefie ich wysokości, z podziałem na skrzydło górne i skrzydło dolne. Podczas wymuszonego parciem wiatru obrotu wirnika oprócz aerodynamicznej siły napędowej działa również siła odśrodkowa, Obie siły zaczepione są w środkach masy obu skrzydeł. Na połowie trajektorii ruchu obrotowego łopaty, dalszej od kierunku wiatru, wymienione siły mają zwrot o tym samym kierunku - czego skutkiem jest wzdłużna deformacja skrzydeł i wysokie naprężenia zginające w strefie połączenia łopaty ze wspornikiem. Na drugiej połowie okręgu, po stronie kierunku wiatru obie siły mają zwroty przeciwne. Występujące zmiany obciążeń o charakterze pulsacyjnym, i to ze zmianą znaku, mają istotnie niekorzystny wpływ na zużycie turbiny oraz sprawność urządzenia. Znane są rozwiązania polegające na wprowadzeniu w konstrukcję wirnika dodatkowych elementów usztywniających skrzydła. Przykładowo, mogą to być cięgna linowe - jak w wirniku według opisu GB 2175350, lub dodatkowe wsporniki - według opisu DE 3626917. Wprowadzenie tych elementów wzmacniających skutkuje jednak wzrostem oporów aerodynamicznych i obniżeniem sprawności turbiny, szczególnie gdy zawierają ukształtowania ostrokątowe sprzyjające turbulencji objętościowej. Niekorzystne działanie sił odśrodkowych częściowo osłabia zastosowanie zmiennego profilu na długości łopaty, z malejącą w kierunku obu końców skrzydeł długością cięciwy i grubością profilu. Rozwiązanie takie zastosowano między innymi w wirnikach według opisów patentowych EP 0046370 i US 5269647.

W opisie US 5269647, wirnik przedstawiony przykładowym wykonaniem na rysunku Fig. 32, 32a i 32b ma wzdłużnie profilowane skrzydła dodatkowo odgięte od strefy środkowej w kierunku promieniowym na zewnątrz, pod kątem względem osi obrotu wirnika. Wirnik z odgiętymi i jednocześnie profilowanymi wzdłużnie skrzydłami zapewnia równomierną intensywność poboru energii wiatru na długości skrzydeł, wytrzymałą strefę środkową. We wsporniku generowane są zasadniczo wyłącznie naprężenia rozciągające a łopata z odgiętymi skrzydłami ma wyższą od łopaty prostej częstotliwość drgań własnych - co jest szczególnie korzystne w warunkach występowania wiatrów porywistych.

W omówieniu warunków pracy i problemów technicznych występujących przy tego rodzaju wirnikach należy również wskazać zróżnicowanie siły aerodynamicznej na górnym i dolnym skrzydle łopaty oraz podatność konstrukcji na aeroelastyczne drgania samowzbudne, czyli flatteru - trzepotania skrzydeł przy dużych prędkościach opływającego powietrza. Często specyfika terenu stanowić może o istotnym obniżeniu prędkości wiatru na wysokości skrzydła dolnego.

Celem wynalazku jest opracowanie prostej konstrukcji wirnika o dużej sztywności i wytrzymałości, niskim oporze aerodynamicznym i wysokiej sprawności transformacji siły parcia wiatru na siłę napędową wału wirnika.

Wirnik według niniejszego wynalazku podobnie jak w powyżej opisanych rozwiązaniach posiada połączone z piastą co najmniej dwa poziome wsporniki, na których końcach sztywno zamocowane są łopaty napędowe. Skrzydło górne i skrzydło dolne łopaty napędowej odgięte są od strefy środkowej promieniowo na zewnątrz pod kątem względem osi obrotu wirnika, ponadto ich symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny ma malejące w kierunku końców skrzydeł długości cięciwy i grubości profilu. Istota wynalazku polega na tym, że długości cięciw profilu na końcach obu skrzydeł i długość cięciwy w strefie środkowej są odwrotnie proporcjonalne do promieni ich położenia względem osi obrotu wirnika.

Dalsze rozwinięcia wynalazku mają na celu wyeliminowanie wpływu różnych szybkości wiatru występujących na wysokości dolnych i górnych skrzydeł wirnika.

W tym celu proponuje się by kąt odgięcia skrzydła dolnego w wirniku był większy od kata odgięcia skrzydła górnego. Zalecaną jest różnica kątów w zakresie 1° do 5°.

Korzystnym jest również rozwiązanie, w którym długość skrzydła dolnego jest większa od długości skrzydła górnego. Zalecaną jest różnica długości w zakresie 2 do 15%.

PL 216 244 B1

W wirniku według wynalazku korzystnym jest także zastosowanie wsporników o symetrycznym profilu aerodynamicznym, z poziomo usytuowaną cięciwą, oraz takie połączenie z piastą by ich osie podłużne przechodzące przez środek bezwładności profilu przecinały oś obrotu wirnika.

Z uwagi na pracę z możliwie najwyższą sprawnością wirnika przy różnych szybkościach wiatru korzystnym jest również, by łopaty napędowe połączone były ze wspornikami za pośrednictwem znanego zespołu nastawy kąta natarcia, który umożliwia zmianę w zakresie od -2° do +3°.

Wirnik według wynalazku poprzez wzdłużne ukształtowanie skrzydeł z wskazaną zależnością wymiarowo-kształtową uzyskuje zróżnicowanie kąta natarcia strumienia powietrza w strefie środkowej i na końcach skrzydeł praktycznie eliminujące niebezpieczeństwo flatteru.

Pełne zrozumienie wynalazku umożliwi opis przykładowego wykonania wirnika pokazanego w ujęciu schematycznym na rysunku. Poszczególne figury rysunku przedstawiają: fig. 1 - widok perspektywiczny wirnika z odgiętymi skrzydłami, fig. 2 - widok z boku, fig. 3 - widok skrzydła z kierunku oznaczonego literą X na fig. 2, fig. 4 - widok z boku innego wirnika ze skrzydłami o różnej długości i różnych kątach odgięcia skrzydeł górnych i dolnych, natomiast na fig. 5 pokazany jest widok z góry wirnika w przekroju według oznaczonej na fig. 4 linii Y-Y.

Wirnik osadzony jest piastą 1 na wale napędowym, który łożyskowany jest pionowo w wieży 4 wiatraka. Do piasty 1 przytwierdzone są dwa poziome wsporniki 2, o symetrycznym profilu aerodynamicznym. Cięciwy profilu wsporników są poziome a oś podłużna przechodząca przez środek sztywności profilu przecina oś obrotu wirnika. Na końcu każdego wspornika 2 przytwierdzona jest łopata napędowa 3, połączona ze wspornikiem 2 strefą środkową 3c swej długości. Łopata napędowa 3 ma skrzydło górne 3a i skrzydło dolne 3b, o równej długości, odgięte promieniowo na zewnątrz pod kątem odgięcia β1 = β2 względem osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne skrzydła górnego 3a i skrzydła dolnego 3b mają symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców skrzydeł długościach cięciw od b1 do b2 i grubościach profilu od c1 do c2. Długości cięciw b2 profilu na końcach obu skrzydeł 3a, 3b i długość cięciwy b1 w strefie środkowej 3c są odwrotnie proporcjonalne do promieni R1, R2 ich położenia względem osi obrotu wirnika, co ujmuje zależność: b1/b2 = R2/R1. Przy ukształtowaniu spełniającym takie relacje wymiarowo-kształtowe występuje równomierna intensywność poboru energii wiatru na całej długości skrzydła, a jednocześnie maleje wzdłuż skrzydła kąt natarcia α₁, a₂ wypadkowej prędkości T₁, T₂ strumienia powietrza. Przybliża to fig. 3, gdzie poszczególne elementarne powierzchnie na skrzydłach, oznaczone symbolicznie „1 cm”, generować mają jednakową siłę aerodynamiczną według wzoru:

Y = C_y x S x p x V²/2, w którym

C_y - oznacza współczynnik zależny od kształtu profilu aerodynamicznego,

S - pole elementarnej powierzchni skrzydła, p - gęstość powietrza,

V - prędkość napływającego powietrza.

W pobliżu strefy środkowej 3c wartość iloczynu C_y S jest większa niż na końcu skrzydła, gdzie ₂ dominujące znaczenie ma V . W sytuacji porywistego wiatru kąt natarcia α może przekraczać wartość krytyczną. W wirniku według wynalazku kąt natarcia maleje w sposób ciągły od α₁ w strefie środkowej 3c do α2 na końcach skrzydeł 3a, 3b - co powoduje, że przekraczanie wartości krytycznej następuje również narastająco wzdłuż skrzydeł. Proces rozwoju strefy zawirowań za skrzydłami ma charakter ciągły - nie powoduje pulsacji turbiny oraz wibracji wieży 4 i wsporników 2, jakie występują w turbinach z wirnikami o łopatach prostych. Przy zachowaniu założonej mocy turbiny odgięcie na zewnątrz skrzydeł 3a, 3b pozwala odpowiednio skrócić wspornik 2 - ze skutkiem zmniejszenia oporu aerodynamicznego turbiny.

Na fig. 4 pokazany jest wirnik przystosowany do zrównoważonego poboru energii wiatru przez skrzydła górne 3a i dolne 3b, dla warunków terenowych istotnie różnicujących prędkość wiatru z wysokością nad poziomem ziemi. Różnica sił aerodynamicznych występująca na dolnym 3b i górnym skrzydle 3a wywołuje niekorzystny moment skręcający wsporników. Równowagę sił aerodynamicznych zapewnić może zastosowanie większego - o przykładowo 3° - kąta odgięcia β2 skrzydła dolnego 3b od kąta odgięcia β1 skrzydła górnego 3a, przy zachowaniu równych długości I1 = I2 skrzydeł. Wartość zwiększenia kąta odgięcia rzutuje na prędkość obwodową skrzydła i zależy od aerodynamicznej charakterystyki tłumienia terenu. Zrównanie obciążeń skrzydeł górnych 3a i dolnych 3b osiągnąć rów4

PL 216 244 B1 nież można przy równych kątach odgięcia β1 = β2 ale większej długości I2 skrzydła dolnego 3b - przykładowo o 10% dłuższego od długości l1 skrzydła górnego 3a.

Badania prototypów wirnika według wynalazku wykazały, że maksymalną sprawność przetwarzania energii dla różnych prędkości wiatru W osiągana jest przy różnych kątach natarcia γ, zawartego między cięciwą strefy środkowej 3c i linią styczną do trajektorii ruchu tego przekroju. Przykładowo, dla prędkości wiatru W=6 m/s kąt γ = -2°, dla W = 9,5 m/s γ = 0° a dla W = 11 m/s γ = +2°. Wirnik według wynalazku posiada zabudowane wewnątrz wspornika 2 jedno ze znanych rozwiązań umożliwiających zmianę kąta γ podczas eksploatacji turbiny.

Claims (7)

1. Wirnik turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, posiadający połączone z piastą co najmniej dwa poziome wsporniki, na których końcach zamocowane są łopaty napędowe, sztywno połączone w strefie środkowej ich wysokości do końców wsporników, oraz których skrzydło górne i skrzydło dolne łopaty odgięte są od strefy środkowej promieniowo na zewnątrz pod kątem względem osi obrotu wirnika, ponadto w którym przekroje poprzeczne skrzydeł mają symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców długościach cięciwy i grubości profilu, znamienny tym, że długości cięciw (b2) profilu na końcach obu skrzydeł (3a, 3b) i długość cięciwy (b1) w strefie środkowej (3c) są odwrotnie proporcjonalne do promieni (R1, R2) ich położenia względem osi obrotu wirnika.

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt odgięcia (β₂) skrzydła dolnego (3b) jest większy od kąta odgięcia (β1) skrzydła górnego (3a).

3. Wirnik według zastrz. 2, znamienny tym, że kąt odgięcia (β2) skrzydła dolnego (3b) jest większy o 1 do 5 ° od kaja odgięcia (β1) skrzydła górnego (3a).

4. Wirnik według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że długość (l1) skrzydła dolnego (3b) jest większa od długości (I2) skrzydła górnego (3a).

5. Wirnik według zastrz. 4, znamienny tym, że długość (I1) skrzydła dolnego (3b) jest większa o 2 do 15% od długości (b) skrzydła górnego (3a).

6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wsporniki (2) mają symetryczny profil aerodynamiczny z poziomo usytuowaną cięciwą oraz że osie podłużne wsporników przechodzące przez środek sztywności profilu, przecinają oś obrotu wirnika.

7. Wirnik według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że łopaty napędowe (3) połączone są ze wspornikami (2) za pośrednictwem znanego zespołu nastawy kąta natarcia (γ), który umożliwia zmianę w zakresie od -2° do +3°.