PL219489B1 - Wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wiatrak o osi poprzecznej prostopadłej do kierunku wiatru. Znajduje on zastosowanie przede wszystkim w silnikach wiatrowych.

Wiatraki zasadniczo dzieli się na dwie charakterystyczne grupy, w zależności od kierunku ustawienia osi obrotu wirnika. Jedną grupę stanowią wiatraki, w których kierunek osi obrotu pokrywa się z kierunkiem wiatru, a drugą - wiatraki, w których oś obrotu wirnika skierowana jest poprzecznie do kierunku wiatru. Wśród wiatraków o osi poprzecznej do kierunku wiatru można wyróżniać różne typy ze względu na rodzaj wykorzystywanej siły. Zasada działania jednego ze znanych typów oparta jest na różnicy oporu aerodynamicznego po obu stronach osi obrotu. Wiatraki te mają tzw. wirnik Savoniusa. Jest to wirnik wolnoobrotowy startujący przy niskiej prędkości wiatru i nieczuły na kierunek wiatru. Posiada on co najmniej dwie łukowe łopaty usytuowane przeciwstawnie po obu stronach osi obrotu. Jedna łopata, dająca większą siłę aerodynamiczną, porusza się zgodnie z kierunkiem wiatru, natomiast druga łopata, dająca mniejszą siłę aerodynamiczną, porusza się w kierunku przeciwnym do wiatru. Powstający napęd wynika z różnicy sił aerodynamicznych po jednej i drugiej stronie osi obrotu wirnika. Znane są także wiatraki z wirnikami bębnowymi, w których wirnik ma szereg łopat rozciągających się pomiędzy górną i dolną płaszczyzną ograniczającą i rozmieszczonych promieniowo, symetrycznie dookoła pionowej osi obrotu, tworzących kształt obrotowego bębna. Znany jest z opisu patentowego US 5553996 silnik wiatrowy zawierający wiele łopat usytuowanych pod kątem wokół osi ramy w kształcie bębna. Rama tworząca bęben zaopatrzona jest w cylindryczny element zamontowany współosiowo z pionową osią obrotu, wewnątrz przestrzeni utworzonej przez obracające się łopaty. Ten cylindryczny element skierowuje wiatr na właściwą drogę wewnątrz bębna, gdzie oddziałuje on na łopaty wirnika. Rozwiązanie to przewiduje różne warianty kształtu łopat i ich wzajemnego usytuowania. Z polskiego opisu patentowego o numerze PL 188116 znany jest wirnik siłowni wiatrowej mający podłużne łopatki zamocowane promieniowo wobec osi obrotu, w którym łopatki są zamocowane między pierścieniem zewnętrznym, a pierścieniem wewnętrznym pokrywają 2/3 powierzchni utworzonego pierścienia koła i mają szerokość 20-100 mm. Znana jest także z polskiego opisu patentowego PL 200550 turbina wiatrowa mająca wirnik zaopatrzony w wiele ramion zamocowanych w równych odstępach kątowych wokół pionowej osi i wiele łopatek ustawionych w bloki. Liczba bloków łopatek wybierana jest z zakresu liczb: dwa, trzy, a każdy z bloków zaopatrzony jest 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. W opisie patentowym US4174923 ujawniono wiatrak posiadający podstawę, na której umieszczona jest obudowa, stanowiąca element nośny, w której znajdują się dwa wirniki z zachodzącymi na siebie łopatkami. Do obudowy, pomiędzy jej górną i dolną ścianą, zamocowana jest łukowo wygięta prowadnica. Z publikacji zgłoszenia międzynarodowego WO20040510800 znana jest konstrukcja turbiny wiatrowej, w której pionowe osie wirników zamocowane są na strukturze wsporczej, która zamontowana jest obrotowo do trzeciej osi pionowej umieszczonej na podstawie. Do struktury wsporczej zamocowana jest owiewka stanowiąca prowadnicę wiatru. Kąt między ścianami tej prowadnicy jest większy od kąta ostrego. W jednym z wariantów owiewka zaopatrzona jest na swych końcach w ruchome lotki, zwiększające dodatkowo kąt między ścianami owiewki na jej zakończeniach.

Wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru z masztem i osadzonym na nim co najmniej jednym wirnikiem z prowadnicą wiatru zasłaniającą stronę wirnika poruszającą się pod wiatr według wynalazku charakteryzuje się tym, że bezpośrednio do masztu zamocowany jest co najmniej jeden stały zespół składający się z prowadnicy wiatru i zamocowanych do niej na stałe dwóch jednakowych wirników bębnowych o przeciwnym kierunku obrotu, przy czym prowadnica wiatru znajduje się od strony wyznaczonej przez kierunek obrotów pomiędzy osiami wirników bębnowych i ma postać dwóch jednakowych prostokątnych płyt usytuowanych względem siebie na stałe pod niezmiennym kątem liniowym mniejszym od 90°, które przy wspólnej krawędzi połączone są na stałe swymi wewnętrznymi płaszczyznami z masztem, natomiast po stronie przeciwległej do wspólnej krawędzi mają wycięcia na wirniki bębnowe. Oś każdego z wirników bębnowych leży w płaszczyźnie jednej z płyt, ma wysokość równą wysokości prowadnicy wiatru i zamocowana jest na stałe do końców płyty prowadnicy wiatru.

W jednym wariancie wiatraka płyty prowadnicy wiatru zamocowane są do masztu obrotowo.

W drugim wariancie wiatraka płyty prowadnicy wiatru zamocowane są do masztu sztywno.

PL 219 489 B1

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia zwiększenie efektywności wirnika wiatraka o osi pionowej poprzez wyeliminowanie negatywnego działania siły aerodynamicznej na łopatach poruszających się pod wiatr.

Przykładowa realizacja wynalazku pokazana jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasadę działania wirnika Savoniusa wyposażonego w prowadnicę wiatru, a fig. 2 przedstawia istotę konstrukcji dwubębnowego wiatraka z prowadnicą wiatru.

Przykładowy wiatrak o osi pionowej, tj. osi obrotu wirnika skierowanej poprzecznie do kierunku wiatru, posiada wirnik pokazany na fig. 1 zwany wirnikiem Savoniusa z dwoma łopatami 1 o profilu półkolistym usytuowanymi po przeciwnych stronach osi obrotu 2 i zwróconymi do siebie wewnętrzną, wklęsłą stroną. Według przykładowej ogólnej koncepcji pokazanej na fig. 1, na zewnątrz wirnika zamocowana jest prowadnica wiatru 3 o przekroju poprzecznym zbliżonym do trójkąta. Jedna jej krawędź, zewnętrzna, pokrywa się z linią wiatru, druga krawędź skierowana jest ukośnie do linii wiatru, a trzecia krawędź, wewnętrzna, ma kształt łuku dostosowanego do obwodu wirnika. Prowadnica wiatru 3 ma szerokość nie większą niż promień wirnika i usytuowana jest zawsze pod wiatr, tzn. jej łukowa krawędź znajduje się od wypukłej strony jednej z łopat, dzięki czemu zasłania tę z łopat, która porusza się pod wiatr. W ten sposób eliminowane jest negatywne działanie siły aerodynamicznej na łopacie poruszającej się pod wiatr, a jednocześnie dodatkowy strumień wiatru skierowywany jest na łopatę poruszającą się z wiatrem. Dzięki zastosowaniu takiej prowadnicy wiatru 3 w czasie pracy wirnika zasłaniana jest część wirnika dająca opór, a dodatkowe powietrze skierowywane jest na stronę napędzającą wirnik, co wielokrotnie zwiększa jego efektywność, ponieważ sama siła aerodynamiczna jest wielokrotnie większa od różnicy sił aerodynamicznych napędzających typowy wirnik bez prowadnicy.

Na fig. 2 przedstawione jest przykładowe rozwiązanie wiatraka według wynalazku z symetryczną prowadnicą wiatru 3. W konstrukcji tej do masztu 4 o pionowej osi obrotu 2 zamocowany jest stały zespół składający się z dwupłytowej prowadnicy wiatru 3 i dwóch jednakowych wirników bębnowych 5. Symetryczna prowadnica wiatru 3 składa się z dwóch jednakowych prostokątnych płyt usytuowanych względem siebie na stałe pod kątem mniejszym od 90° i połączonych ze sobą jedną z krótszych krawędzi. Kąt między płytami prowadnicy wiatru 3 jest określony przez wymiary poszczególnych elementów wiatraka, w szczególności średnicę wirników bębnowych 5 i jest niezmienny, niezależnie od warunków pracy wiatraka. Wewnętrzne płaszczyzny płyt prowadnicy wiatru 3 przy ich wspólnej krawędzi zamocowane są bezpośrednio do masztu 4. Może to być zamocowanie sztywne, dzięki czemu prowadnica wiatru 3 obraca się razem z masztem 4 wokół jego pionowej osi obrotu 2. W tym wariancie maszt zamocowany jest obrotowo do swojej podstawy. W innym wariancie konstrukcyjnym maszt 4 może być nieruchomy, a prowadnica wiatru 3 zamocowana do niego obrotowo - prowadnica razem z wirnikami obraca się na stałym maszcie. Po stronie przeciwległej do wspólnej krawędzi, każda z płyt tworzących prowadnicę wiatru 3 ma prostokątne wycięcie, w którym usytuowany jest wirnik bębnowy 5. Oś każdego z wirników bębnowych 5 leży w płaszczyźnie jednej z płyt prowadnicy wiatru 3, ma wysokość równą wysokości płyty i zamocowana jest do niej na stałe między jej końcami przeciwległymi do wspólnej krawędzi płyt. Oba wirniki bębnowe 5 są jednakowe, usytuowane względem siebie tak, że mają przeciwny kierunek obrotu, a prowadnica wiatru 3 znajduje się od strony wyznaczonej przez kierunek obrotów pomiędzy osiami wirników bębnowych 5, dzięki czemu zawsze ustawia się od strony wiatru i zasłania tę część każdego wirnika bębnowego 5, która obraca się pod wiatr i znajduje się od strony drugiego wirnika bębnowego 5. Dwa wirniki bębnowe 5 wraz z prowadnicą wiatru 3 tworzą zespół, który siły aerodynamiczne działające na wirniki bębnowe 5 i prowadnicę wiatru 3 będą zawsze ustawiały pod wiatr, dzięki czemu zasłonięte będą te części wirników, które obracają się pod wiatr, a dodatkowy strumień powietrza skierowywany będzie na łopatki tych stron wirników, które poruszają się z wiatrem, tzn. na stronę napędzającą. Za wirnikiem i kierownicą pozostawiona jest wolna przestrzeń, do której może wpływać powietrze zawirowane przez wirnik. Ten swobodny dostęp do części za wiatrakiem pozwala na kontynuację zakrzywienia linii prądu, które zwiększa efektywność wiatraka.

W bardziej rozbudowanych konstrukcjach, opisany zespół wirników i prowadnicy może być powielany zarówno w pionie, jak i w poziomie. W przedstawionym rozwiązaniu części wirników poruszające się pod wiatr są osłonięte przez prowadnicę wiatru i nie generują żadnej siły aerodynamicznej, a jednocześnie dodatkowy strumień wiatru skierowywany jest na napędzające strony wirników, dzięki czemu następuje znaczne zwiększenie efektywności wiatraka. Prosta konstrukcja i możliwość powielania jednakowych zespołów umożliwia stosowanie takiego wiatraka w różnych, dowolnie wybranych miejscach, nie tylko na wolnostojących masztach, ale także na ścianach budynków, dachach itp.

Claims (3)

1. Wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru z masztem i osadzonym na nim co najmniej jednym wirnikiem z prowadnicą wiatru zasłaniającą stronę wirnika poruszającą się pod wiatr, znamienny tym, że bezpośrednio do masztu (4) zamocowany jest co najmniej jeden stały zespół składający się z prowadnicy wiatru (3) i zamocowanych do niej na stałe dwóch jednakowych wirników bębnowych (5) o przeciwnym kierunku obrotu, przy czym prowadnica wiatru (3) znajduje się od strony wyznaczonej przez kierunek obrotów pomiędzy osiami wirników bębnowych (5) i ma postać dwóch jednakowych prostokątnych płyt usytuowanych względem siebie na stałe pod niezmiennym kątem liniowym mniejszym od 90°, które przy wspólnej krawędzi połączone są na stałe swymi wewnętrznymi płaszczyznami z masztem (4), natomiast po stronie przeciwległej do wspólnej krawędzi mają wycięcia na wirniki bębnowe (5), a oś każdego z wirników bębnowych (5) leży w płaszczyźnie jednej z płyt, ma wysokość równą wysokości płyt prowadnicy wiatru (3) i zamocowana jest na stałe do końców płyty prowadnicy wiatru (3).

2. Wiatrak według zastrz. 1, znamienny tym, że płyty prowadnicy wiatru (3) zamocowane są do masztu (4) obrotowo.

3. Wiatrak według zastrz. 1, znamienny tym, że płyty prowadnicy wiatru (3) zamocowane są do masztu (4) sztywno.