PL216758B1 - Wirnik silnika wiatrowego sterowany przepływowo - Google Patents

Abstract

Wirnik silnika wiatrowego według wynalazku składa się z jednej lub z kilku łopat (3) wirujących w łożysku głównym (5) dokoła osi pionowej (4) połączonych przez belki poziome (6) i umieszczone w łożyskach (7) swobodnie obrotowo i są ustawiane przez wiatrowskaz (9). Łopaty (3) mają na całej swojej długości w przekroju symetryczny profil aerodynamiczny (8). Przez pierwszy mechanizm sterowania są ustawiane łopaty (3) na belkach poziomych (6) w każdym punkcie ich toru obiegu (13) dokoła osi pionowej (4) sterowane przez wiatrowskaz (9), ustawione swoim profilem (8) wzdłuż kierunku wiatru (10) i przez drugi mechanizm sterowania łopaty (3) są tak ustawiane na belkach poziomych (6) w kierunku wiatru (10), że w zależności od kąta obrotu belki poziomej (6) w kierunku wiatrowskazu (9) i prędkości obrotu belki poziomej (6) łopata lub łopaty (3) osiami wzdłużnymi ich profilu (8) w każdym punkcie na torze obiegu (13) są ustawiane w celu wytwarzania optymalnej siły aerodynamicznej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest wirnik silnika wiatrowego sterowanego przepływowo ustawianego wiatrowskazem, z pionową osią obrotu, którego łopaty wirując pionowo okrążają oś obrotu.

Wirniki silnika wiatrowego z pionowymi osiami obrotu są znane jako wirniki Savoniusa, Darrieuxa, pionowe wirniki podwójne oraz wirniki Jacksona. Wirniki Jacksona mają nie tylko oś pionową lecz nawet płyty podobne do łopat, okrążające oś pionową i równocześnie obracające się same o kąt 180°.

Wirniki typu Jacksona zostały przedstawione między innymi w opisach patentowych DE 198 47 469 A, DE 81 119 10 Ul oraz DE 39 18 184 Al.

Wynalazek wg opisu patentowego DE 30 18 211 C2 jest zbudowany jak wirnik Darrieuxa. Wirnik ten ma jednak łopaty o ograniczonym ruchu. Sprawność wirników Darrieuxa jest niewielka. Wymagają one silnych wiatrów i najczęściej pomocniczego napędu rozruchowego.

Najczęściej stosowane w praktyce silniki wiatrowe mają wirniki z poziomą osią obrotu, na której obracają się łopaty podobne do łopat śmigła.

Łopaty wirnika pracujące na tej zasadzie są ustawione na zewnątrz znacznie bardziej płasko niż w pobliżu osi obrotu. Wykorzystują one tylko 16 -s- 27% istniejącej teoretycznie energii wiatru. Wieża, na której są usytuowane wirniki obracające się dokoła osi poziomej, powinna być wyższa, niż w przypadku wirników silników wiatrowych z pionową osią obrotu. Łopaty, które pracują jak łopaty śmigieł, poruszają się wzdłuż swojej długości nierówno w stosunku do strumienia wiatru. W pobliżu osi są one wolniejsze, niż na końcówkach łopat. Wynikiem tego jest duża hałaśliwość i gorsze wykorzystanie powierzchni pracującej łopaty.

W opisie patentowym DD 232 959 Al jest opisany wirnik dla silników wiatrowych z osią pionową, w którym są zastosowane profile niesymetryczne, które mają wykazywać między sobą automatycznie lub w sposób wymuszony w każdym momencie wirowania różne kąty natarcia, tak że siły aerodynamiczne stale zmieniają się przy zachowaniu stałego kierunku obrotu. Ze wzrostem prędkości wiatru, przez zmianę kątów natarcia łopat wirnika, następuje zmniejszenie liczby obrotów, a siły aerodynamiczne spadają do około zera.

Łopaty tego silnika wiatrowego znajdują się z jednej strony poprzez wieńce zębate i pasy zębate w trwałym połączeniu czynnym, ale z drugiej strony poruszają się swobodnie, tak aby mogły ustawiać się swoim specjalnym profilem aerodynamicznym automatycznie i optymalnie w kierunku wiatru. Nie wiadomo jednak, jak powinno następować podstawowe ustawienie łopat wirnika w kierunku wiatru, aby umożliwić samoczynny rozruch silnika wiatrowego.

Z francuskiego zgłoszenia patentowego nr FR 19790015625 znany jest silnik wiatrowy z wirnikiem zawierającym trzy symetrycznie względem siebie sytuowane podwójne łopaty pionowe o aerodynamicznym profilu przekroju poprzecznego, osadzone promieniowo, za pośrednictwem belek poziomych, w łożysku centralnym, równolegle do centralnej osi pionowej silnika, oraz osiowo w niezależnych łożyskach zewnętrznych. Układ kierowniczy do sterowania łopatami stanowi przekładnia asynchroniczna, która składa się z dwóch, połączonych wałem pośrednim, przegubów Cardana, przenoszących obroty z wiatrowskazu na łopaty wirnika. Tak więc układ kierowniczy jest układem równobieżnym, w którym zmiany położenia koła napędowego i napędzanego są w zasadzie kompensowane. Jednakże w tego typu połączeniach występują pulsacje, co niekorzystnie wpływa na stabilność pracy wirnika.

Zadaniem wynalazku jest stworzenie wirnika silnika wiatrowego z pionową osią obrotu, sterowanego przepływowo, który wykorzystuje napędzający wiatr aerodynamicznie i najbardziej efektywnie, przy względnie prostym i stabilnym mechanizmie sterowania wiatrowskazem.

Istota wirnik silnika wiatrowego według wynalazku polega na tym, że jego układ kierowniczy do sterowania łopatami stanowi zespół dwóch rodzajów mechanizmów sterowania, z których pierwszy, współśrodkowy, przenoszący napęd z wiatrowskazu na osie łopat, jest usytuowaną wzdłużnie w poziomej belce przekładnią pasową, zaś drugi, osiowy, jest usytuowanym w obudowie łożyska łopaty elektromechanicznym modułem napędowym, przeznaczonym do nadążnej regulacji kąta ustawienia łopaty celem efektywnego wytwarzania jej siły nośnej.

Korzystnym jest, gdy współśrodkowy mechanizm sterowania jest przekładnią wieloklinową z trzy-rowkowym kołem napędowym, zaś osiowy mechanizm sterowania jest silnikiem krokowym z przekładnią ślimakową.

Korzystnym jest także gdy pionowe łopaty są skierowane w górę i/lub w dół.

PL 216 758 B1

Ponadto korzystnym jest gdy belki są usytuowane na centralnej osi pionowej w dwóch lub kilku poziomach.

Pierwszy, współśrodkowy mechanizm sterowania ustawia łopatę lub łopaty na belkach poziomych w każdym punkcie toru obiegu dokoła centralnej osi pionowej wiatrowskazem profilem łopat w kierunku wiatru, zaś drugi mechanizm sterowania ustawia łopatę na belce poziomej w każdym punkcie jej obiegu dokoła centralnej osi pionowej w stosunku do wiatru, tak że w zależności od kąta obrotu belki poziomej w stosunku do wiatrowskazu i prędkości obrotowej belki poziomej łopata w każdym punkcie jej obiegu jest ustawiana swoją osią wzdłużną w celu wytwarzania optymalnej siły aerodynamicznej.

Drugi, osiowy mechanizm sterowania jest przy tym pośrednio podporządkowany pierwszemu mechanizmowi sterowania, który powoduje podstawowe ustawienie w kierunku wiatru.

Aby wytwarzać ciągłe momenty obrotowe profil łopat wiatraka w jego ruchu kołowym dokoła osi pionowej jest ustawiany w kierunku wiatru zawsze tak, by w celu osiągnięcia optymalnej siły wyporu kąt natarcia wiatru był ustawiony z odchyłką dodatnią lub ujemną w stosunku do kierunku wiatru i w zależności od kąta obrotu.

Silnik wiatrowy można umieścić na wieży, budynku lub na terenach przepływowo korzystnych.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1 - izometryczny widok ogólny silnika wiatrowego z wirnikiem wyposażonym w trzy łopaty.

Fig. 2 - wirnik w przekroju pionowym z mechanizmami sterowania ustawienia łopat.

Fig. 3 - schemat sterowania łopatą w zależności od kąta obrotu w dwóch wybranych pozycjach.

Na szczycie wieży 2 (fig. 1) jest osadzony wirnik 1 silnika wiatrowego. Wirnik 1, ułożyskowany obrotowo w łożysku głównym 5, ma trzy, usytuowane na końcach trzech poziomych belek 6, łopaty 3 i osadzone obrotowo w łożyskach 7. Łopaty 3, poruszające się obiegowo wokół centralnej osi pionowej 4 i jednocześnie wirujące wokół własnych osi. równoległych do osi pionowej 4, mają w przekroju, wzdłuż całej swojej długości, symetryczny profil aerodynamiczny 8, podobny do powierzchni nośnej płata samolotu.

Na wieży 2 w łożysku głównym 5 na osi centralnej 4 jest umieszczony współśrodkowo wiatrowskaz 9 do określania kierunku wiatru 10.

Łopaty 3 sterowane przez pierwszy i drugi mechanizm sterowania 11 i 12 okrążają wraz ze swoimi łożyskami 7 oś pionową 4 po torze kolistym 13 tak, że profile łopat 8 są ustawione zawsze równolegle do kierunku wiatru 10 i równocześnie ukierunkowane na optymalny kąt natarcia kierunku wiatru 10 zadanego przez ster silnika wiatrowego 9.

Stosowny typ zastosowanych mechanizmów sterowania 11 i 12 do ustawiania łopat silnika wiatrowego 3 jest przedstawiony na fig. 2.

Na wieży 2, poprzez łożysko główne 5, jest ułożyskowany obrotowo dokoła centralnej osi pionowej 4 wirnik 1. Przed łożyskiem głównym 5 jest przedstawiona skrócona w płaszczyźnie rysunku belka 6 i zaznaczona druga belka 6 odchylona do tyłu.

Wewnątrz tulei łożyska głównego 5 znajduje się wiatrowskaz 9 z trzy-rowkowym kołem pasowym 14 ułożyskowany współosiowo obrotowo niezależnie od łożyska głównego 5. Z każdego poziomu trzy-rowkowego koła napędowego 14 prowadzi pasek klinowy belką poziomą 6 do łopaty 3. Ten napęd z paskiem klinowym 14 stanowi współśrodkowy mechanizm sterowania 11, który ustawia łopaty 3 w każdym punkcie jej toru obiegu 13, równolegle do wiatrowskazu 9. Z tego powodu łożyska łopat 7 każdej łopaty 3 są połączone kołnierzowo ze swoją belką poziomą 6 na różnym poziomie.

Wewnątrz każdego łożyska łopaty 7 znajduje się silnik krokowy 15, który poprzez przekładnię ślimakową, jako osiowy mechanizm sterowania 12, przestawia każdą łopatę 3 dodatkowo do ustawienia równoległego do wiatrowskazu 9 o odpowiedni kąt, celem uzyskania optymalnego kąta natarcia wiatru.

Przez sterowany wiatrowskazem 9 pierwszy mechanizm sterowania 11 ustawia łopaty 3, w każdym punkcie ich toru obiegu dokoła centralnej osi pionowej 4, swoim profilem 8 wzdłuż kierunku wiatru 10.

Do zrealizowania dwóch niezależnych ruchów obrotowych w łożyskach łopat 7 są umieszczone współosiowo i obracające się niezależnie od siebie dwie tulejki.

Przez osiowy mechanizm sterowania 12, w zależności od współśrodkowego mechanizmu sterowania 11, każda łopata 3 jest ustawiana na swojej belce poziomej 6 w każdym punkcie swojego toru obiegu 13 wokół centralnej osi pionowej 4 w stosunku do wiatru 10 w taki sposób, że w zależności od kąta obrotu belki 6 w stosunku do wiatrowskazu, każda łopata 3 jest ustawiana osią wzdłużną swojego

PL 216 758 B1 profilu 8 w każdym punkcie swojego toru obiegu 13, tak aby wytworzyć optymalną siłę aerodynamiczną. Poza tym, w zależności od prędkości obrotu belek 6 zmieniającej się w zależności od prędkości wiatru 10, łopaty 3 ustawiają się w stosunku do wiatru w taki sposób, że jest utrzymywana w przybliżeniu stała prędkość obrotowa, tak aby zapobiec przeciążeniu silnika wiatrowego.

Na fig. 3 pokazano w przedstawieniu schematycznym sterowanie łopatami 3, zależne od kąta ich obrotu w dwóch wybranych pozycjach 3 i 3' ich toru obiegu 13 dokoła pionowej osi obrotu 4. Kąty przyłożenia profili łopat 8 różnią się między sobą i są zależne od każdego punktu ich toru obiegu 13 i w odniesieniu od kierunku wiatru 10, który wytwarza siłę wiatru F_w. Kąty te mogą przyjmować wartości zarówno ujemne jak i dodatnie, tak że siła wyporu FA w każdym kącie obrotu łopaty 3 zmienia się ciągle między wartościami ujemnymi i dodatnimi, tak aby siła wypadkowa F_T miała w kierunku obrotu stale wartości dodatnie.

Przedstawiony przykład nie wyczerpuje wszystkich możliwości zastosowania wynalazku, który można także wykorzystać w konstrukcji turbiny wodnej, przy założeniu że moment obrotowy wirnika zostaje wytworzony hydrodynamicznie w kierunku obrotu. Także sterowanie łopatami wirnika może być hydraulicznie i/lub pneumatycznie.

Claims (4)

1. Wirnik silnika wiatrowego sterowany przepływowo, osadzony obrotowo na wieży silnika, zawierający co najmniej jedną, korzystnie trzy symetrycznie względem siebie sytuowane pionowe łopaty o aerodynamicznym profilu przekroju poprzecznego, osadzone promieniowo, za pośrednictwem belek poziomych, w łożysku centralnym, równolegle do centralnej osi pionowej silnika, oraz osiowo w niezależnych łożyskach zewnętrznych, wyposażony w układ kierowniczy do sterowania łopatami współpracujący z wiatrowskazem, osadzonym obrotowo w łożysku centralnym, znamienny tym, że układ kierowniczy stanowi zespół dwóch rodzajów mechanizmów sterowania (11) i (12) z których współśrodkowy (11), przenoszący napęd z wiatrowskazu (9) na osie łopat (3), jest usytuowaną wzdłużnie w poziomej belce (6) przekładnią pasową, zaś osiowy (12) jest usytuowanym w obudowie łożyska (7) łopaty (3) elektromechanicznym modułem napędowym, przeznaczonym do nadążnej regulacji kąta ustawienia łopaty (3).

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że współśrodkowy mechanizm sterowania (11) jest przekładnią wieloklinową z trzy-rowkowym kołem napędowym (14), zaś osiowy mechanizm sterowania (12) jest silnikiem krokowym (15) z przekładnią ślimakową.

3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pionowe łopaty (3) są skierowane w górę i/lub w dół.

4. Wirnik według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że belki (6) są usytuowane na centralnej osi pionowej (4) w dwóch lub kilku poziomach.