PL219916B1 - Siłownia wiatrowa z wirnikiem o pionowej osi obrotu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest siłownia wiatrowa z wirnikiem karuzelowym, to jest wirnikiem o pionowej osi obrotu i planetarnie obracanych łopatach, wyposażona w mechanizm zabezpieczający wirnik przed przekroczeniem obrotów dopuszczalnych i uszkodzeniem przez wiatr.

Od szeregu lat siłownie wiatrowe, mające konstrukcję wsporczą z osadzonym na niej wirnikiem o pionowej osi obrotu oraz prądnicę, połączoną kinematycznie z wirnikiem, są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej.

Tego rodzaju siłownia wiatrowa z rurowym masztem i wirnikiem karuzelowym, ujawniona jest na przykład w polskim zgłoszeniu patentowym P. 388698.

Wirniki o pionowej osi obrotu i planetarnym (uchylnym) ruchu łopat, przedstawione są między innymi w opisach patentowych PL 150739, PL 172666, EP 0276904, US 4424002, US 7665966 i opisie zgłoszenia patentowego WO 2005/100785.

W tych znanych rozwiązaniach wirniki karuzelowe posiadają poziomą belkę napędową, ułożyskowaną w środku symetrii według pionowej osi obrotu i połączoną z wałem lub przekładnią napędową. W zależności od ilości zabudowanych łopat, belka napędowa jest dwu- lub wieloramienna albo tarczowa.

Łopaty znanych wirników łożyskowane są na pionowych czopach, na końcach ramion belki napędowej i sprzęgnięte bezpoślizgowymi przekładniami o przełożeniu 1:2, najczęściej przekładniami łańcuchowymi, z centralnym kołem lub zespołem nieruchomych względem siebie centralnych kół, ustalonym współosiowo z osią obrotu wirnika, przy czym położenie kątowe centralnego koła (lub zespołu kół) względem ramion belki napędowej wyznacza mechanizm naprowadzania wirnika na kierunek wiatru.

W niektórych ze znanych rozwiązań, łopaty wirników karuzelowych są ułożyskowane w ramionach belki napędowej na czopach dolnych. W innych rozwiązaniach ułożyskowane są one obustronnie (na czopach dolnych i górnych) - w belce napędowej i ramie lub belce stężającej, zabudowanych nad belką napędową.

Połączenie łopat z kołem lub kołami centralnymi przekładnią bezpoślizgową o przełożeniu 1:2 powoduje, że łopaty, obracając się z szybkością dwukrotnie mniejszą i w kierunku przeciwnym do obrotów belki napędowej, przyjmują wymagane położenia względem kierunku wiatru, które w punktach charakterystycznych na osi prostopadłej jest styczne po stronie przeciwbieżnej i prostopadłe po stronie współbieżnej.

Zasada pracy wirnika karuzelowego wymaga identyczności kształtu obu powierzchni łopat w pozycji przejmowania parcia wiatru. Powierzchnie te pracują przemiennie co drugi obrót wirnika. Dlatego znane łopaty ukształtowane są symetrycznie względem ich płaszczyzny głównej, to jest płaszczyzny przechodzącej przez oś obrotu łopat i wzdłużną oś przekroju poprzecznego łopaty. Najczęściej wykonane są one jako płaskie, o powierzchniach równoległych lub obustronnie zbieżne na obu połówkach od osi czopa ku krawędzi łopaty.

Wiadomo jest powszechnie, że używanie wirników wiatrowych w takich warunkach pogodowych, jak wichura czy niestabilny wiatr o huraganowych porywach, grozi ich uszkodzeniem przede wszystkim wskutek przekroczenia obrotów dopuszczalnych. Stąd też szereg wirników wiatrowych o poziomych osiach obrotu wyposażonych jest w mechanizmy zabezpieczające wirnik przed przekroczeniem obrotów dopuszczalnych. Natomiast praktycznie, poza nielicznymi wirnikami Savoniusa (to jest wirnikami o pionowej osi obrotu z nieruchomymi, kształtowymi łopatami), rozwiązań takich nie stosuje się w wirnikach o pionowych osiach obrotu.

Z monografii A. Flaga „Siłownie wiatrowe”, str. 164 - 165, wyd. Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki, Kraków 2012 oraz z opisu zgłoszenia polskiego wzoru użytkowego PL 118785 (U1), znana jest turbina wiatrowa Savoniusa wyposażona w zespół kierownic usytuowanych uchylnie przy zewnętrznych krawędziach nieruchomych łopat i połączonych z siłownikami elektrycznymi. Przy małym wietrze kierownice są otwarte, zaś gdy wiatr się wzmoże, siłowniki przestawiają kierownice na obwodzie turbiny, tworząc zarys zbliżony do koła.

Innego rodzaju rozwiązanie służące do zabezpieczenia turbiny wiatrowej Savoniusa przed uszkodzeniem przez wiatr, znane jest z opisu polskiego zgłoszenia wzoru użytkowego PL 102122 (U1). Według tego rozwiązania, na zewnętrznej powierzchni wirnika Savoniusa osadzony jest rozłącznie regulacyjny pierścień, przesuwny w osi pionowej, który służy do ograniczania powierzchni czynnej wirnika, wystawionej na działanie wiatru.

PL 219 916 B1

Nie znaleziono natomiast ani w literaturze fachowej, ani patentowej informacji o rozwiązaniach zabezpieczających wirniki karuzelowe przed uszkodzeniem przez zbyt mocny wiatr.

Zgodnie z wynalazkiem, siłownia wiatrowa z wirnikiem karuzelowym o pionowej osi obrotu, mająca konstrukcję wsporczą i prądnicę napędzaną przez wirnik wiatrowy osadzony na konstrukcji wsporczej, przy czym wirnik zawiera u dołu trójramienną napędową belkę, ułożyskowaną w środku symetrii według pionowej osi obrotu i połączoną kinematycznie z prądnicą oraz ma trzy jednakowe łopaty, ułożyskowane dolnymi czopami na końcach ramion napędowej belki w jednakowych kątowych odstępach, zaś górnymi czopami ułożyskowane na końcach ramion trójramiennej stężającej belki, usytuowanej ponad belką napędową i ułożyskowanej w środku symetrii według pionowej osi obrotu, przy czym łopaty są sprzęgnięte przez bezpoślizgowe przekładnie o przełożeniu 1:2 z zespołem centralnych kół, który jest ustalony współosiowo z osią obrotu wirnika i którego położenie kątowe względem ramion napędowej belki wyznacza mechanizm naprowadzania wirnika na wiatr, charakteryzuje się tym, że każde z kół zespołu centralnych kół jej wirnika jest wyposażone w jedną tuleję, zaś tuleje te są obrotowo ułożyskowane względem siebie oraz względem konstrukcji wsporczej, a każda ze wspomnianych tulei ma na swej pobocznicy dwa przeciwległe usytuowane krzywkowe rowki, przez które przechodzi wspólny dla wszystkich tulei trzpień, usytuowany promieniowo i ustalający położenie kątowe tulei względem siebie oraz położenie kątowe zespołu tulei względem konstrukcji wsporczej, przy czym rowek pierwszej tulei pierwszego centralnego koła jest poosiowy w stosunku do osi obrotu wirnika, rowek drugiej tulei drugiego centralnego koła jest skierowany w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie w lewo lub ukośnie prawo, a rowek trzeciej tulei trzeciego centralnego koła jest skierowany w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie, w stronę przeciwną niż rowek drugiej tulei, oraz że trzpień jest osadzony na popychaczu sprzęgniętym z przynajmniej jednym aktuatorem, który jest ustalony na konstrukcji wsporczej i poprzez popychacz przemieszcza poosiowo trzpień w krzywkowych rowkach zespołu tulei, wymuszając względny ruch obrotowy drugiej i trzeciej tulei względem pierwszej, z jednoczesnym zachowaniem kątowego położenia pierwszej tulei względem konstrukcji wsporczej.

Skosy krzywkowych rowków oraz ich długości są tak dobrane, że po przemieszczeniu trzpienia przez popychacz z jednego końca rowków w drugi, tuleje druga i trzecia wraz z przyporządkowanymi kołami centralnymi - drugim i trzecim, wymuszają poprzez bezpoślizgowe przekładnie zmianę wzajemnego położenia kątowego dwóch łopat wirnika względem łopaty pozostającej w dotychczasowym położeniu - z położenia roboczego łopat w położenie spoczynkowe (neutralne), w którym łopaty pod naporem wiatru zajmują pozycję statecznika (chorągiewki), zatrzymując wirnik.

Aktuator jest sterowany w funkcji obrotów wirnika, na przykład mechanicznie lub elektrycznie. Zrozumiałym jest jednak, że szczegółowe rozwiązanie zagadnienia sterowania aktuatorem w ramach niniejszego wynalazku wykracza już poza jego przedmiot.

W wynalazku, do zmiany wzajemnego położenia kątowego zespołu tulei kół centralnych może być stosowany aktuator bistabilny, na przykład siłownik elektromagnetyczny, co pozwoli w krótkim czasie zmieniać położenie łopat wirnika w skrajnych pozycjach - z pozycji roboczej w pozycję spoczynkową i odwrotnie.

W rozwinięciu wynalazku może być też zastosowany aktuator o liniowym działaniu, na przykład o napędzie liniowym śrubowym, co pozwoli w sposób płynny zmieniać obroty wirnika przez stopniowe ograniczanie lub stopniowe zwiększanie powierzchni czynnej łopat.

Rozwiązanie według wynalazku nadaje się do stosowania w siłowniach wiatrowych o turbinie karuzelowej (turbinie z pionową osią obrotu i planetarnym ruchu łopat), praktycznie w każdych warunkach pogodowych, nawet przy silnych wiatrach z huraganowymi porywami oraz wiatrach o zmiennych kierunkach. Zapewnia ono ustawienie łopat wirnika siłowni do kierunku wiatru z jednoczesnym zabezpieczeniem wirnika przed przekroczeniem obrotów dopuszczalnych przy wietrze, który mógłby doprowadzić do uszkodzenia siłowni.

Wynalazek jest przybliżony opisem przykładowego wykonania siłowni wiatrowej, uwidocznionego na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia izometryczny widok przykładowej siłowni wiatrowej o kratowej konstrukcji wsporczej i wirniku karuzelowym;

Fig. 2 - schemat kinematyczny siłowni wiatrowej;

Fig. 3 - widok izometryczny zespołu kół centralnych z przyporządkowanymi im tulejami oraz z popychaczem i trzpieniem osadzonym w rowkach krzywkowych;

Fig. 4 - poosiowy przekrój przez piastę belki stężającej gdy trzpień jest ustawiony w rowkach krzywkowych dla pozycji roboczej łopat wirnika;

PL 219 916 B1

Fig. 5 - poosiowy przekrój przez piastę belki stężającej gdy trzpień jest ustawiony w rowkach krzywkowych dla pozycji spoczynkowej łopat wirnika;

Fig. 6 - schematyczny widok z góry belki stężającej i łopat w pozycji roboczej wirnika;

Fig. 7 - schematyczny widok z góry belki stężającej i łopat w pozycji spoczynkowej wirnika.

Przykładowa siłownia wiatrowa ma kratową konstrukcję wsporczą, o podstawie 1, do której jest przytwierdzona prądnica 2 (uwidoczniona dla lepszej czytelności rysunków tylko na fig. 2) oraz rurowy maszt 3, stanowiący element, na którym obrotowo ułożyskowany jest karuzelowy wirnik siłowni.

Wirnik posiada u dołu trójramienną napędową belkę 4, której piasta 5 jest ułożyskowana obrotowo na maszcie 3. Od piasty 5 odchodzą trzy jednakowe napędowe ramiona 6, rozmieszczone w odstęppach kątowych 120°. Na końcach tych ramion są usytuowane oprawy, w których ułożyskowane są dolne czopy łopat 7 wirnika.

Ponadto u dołu piasta 5 posiada zębaty wieniec 8, do którego poprzez łańcuchową przekładnię 9 i sprzęgło 10 jest przyłączona prądnica 2.

Na górnej części masztu 3 ułożyskowana jest obrotowo druga piasta 11 trójramiennej stężającej belki 12. Stężająca belka 12 ma ramiona 13, rozmieszczone nad ramionami 6 napędowej belki 4 w takich samych odstępach kątowych.

Na końcach ramion 13 stężającej belki 12 usytuowane są drugie oprawy, w których ułożyskowane są górne czopy łopat 7. Górne czopy łopat 7 wystają z drugich opraw ponad ramiona 13 stężającej belki 12, a na końcach tych czopów są zamocowane obiegowe koła 14 zębatych przekładni pasowych o przełożeniu 1:2, realizujących planetarny ruch łopat 7 podczas obrotu wirnika, zaś wieńce trzech zębatych centralnych kół 15, 16 i 17 tych przekładni wystają ponad krawędź drugiej piasty 11, tak aby umożliwić połączenie z nimi odpowiednich kół obiegowych 14. Ponadto, dla zapewnienia poprawnego funkcjonowania wspomnianych pasowych przekładni zębatych, do ramion 13 stężającej belki 12 przymocowano znane rolkowe napinacze 18 pasów, a centralne koła zębate 15, 16, 17 zaopatrzono w tarcze przeciwdziałające zsuwaniu się pasów.

Łopaty 7 mają kształt prostokątów w formie silnie spłaszczonego rombu, przy czym czopy łopat 7 są tak umiejscowione, że osie obrotu łopat 7 przebiegają przez środek ciężkości ich poprzecznego przekroju.

Wystający ponad drugą piastę 11 zespół trzech centralnych kół 15, 16 i 17 jest obrotowo osadzony wewnątrz rury masztu 3 w osi obrotu wirnika za pomocą tulei 19, 20, 21, przy czym każdemu z centralnych kół 15, 16, 17 przyporządkowana jest w jedna z tulei 19, 20, 21.

Tuleje 19, 20 i 21 są usytuowane współosiowo oraz obrotowo ułożyskowane względem siebie i względem masztu 3 konstrukcji wsporczej.

Każda z tulei 19, 20, 21 ma na swej pobocznicy dwa przeciwlegle usytuowane krzywkowe rowki A, B, C, przez które przechodzi wspólny dla wszystkich tulei 19, 20, 21 trzpień 22, usytuowany promieniowo i ustalający położenie kątowe tulei 19, 20, 21 względem siebie oraz położenie kątowe zespołu tulei 19, 20, 21 względem masztu 3 konstrukcji wsporczej.

Dla zmniejszenia oporów przy przemieszczaniu trzpienia 22 przez krzywkowe rowki A, B, C, został on w prezentowanym przykładzie zaopatrzony w tulejki toczne.

Rowki A pierwszej tulei 19 pierwszego centralnego koła 15, usytuowanej najbliżej osi obrotu wirnika, są poosiowe w stosunku do tej osi, rowki B drugiej tulei 20 drugiego centralnego koła 16 są w prezentowanym przykładzie skierowane w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie w lewo, a rowki C trzeciej, zewnętrznej tulei 21 trzeciego centralnego koła 17 są skierowane w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie w prawo.

Trzpień 22 jest osadzony sztywno na popychaczu 23, ustalającym jego położenie kątowe względem masztu 3.

W efekcie takiego wzajemnego sprzęgnięcia wspomnianych elementów, trzpień 22 ustala zarówno położenie tulei 19, 20, 21 względem siebie, jak i położenie kątowe tulei 19, 20, 21 względem masztu 3, co daje skutek techniczny w postaci wzajemnego ustalenia trzech kół centralnych 15, 16, 17 oraz ustalenia pozycji kątowej zespołu tych kół 15, 16, 17 względem masztu 3 konstrukcji wsporczej.

W prezentowanym przekładzie wykonania, popychacz 23 jest sprzęgnięty z dwoma aktuatorami 24, które są utwierdzone na maszcie 3 konstrukcji wsporczej. Aktuatory 24 poprzez popychacz 23 przemieszczają poosiowo trzpień 22 w krzywkowych rowkach A, B, C zespołu tulei 19, 20, 21, wymuszając względny ruch obrotowy drugiej 20 i trzeciej 21 tulei względem pierwszej 19, z jednoczesnym zachowaniem kątowego położenia pierwszej tulei 19 względem masztu 3 konstrukcji wsporczej.

PL 219 916 B1

Aktuatory 24 są w prezentowanym przykładzie sterowane elektrycznie w funkcji obrotów wirnika (napięciem na zaciskach prądnicy) i przy wzroście lub spadku jego prędkości obrotowej (wzroście lub spadku napięcia na zaciskach prądnicy) wymuszają odpowiednio poosiowy ruch popychacza 23 i trzpienia 22 w górę lub w dół (co pokazano na fig. 4 i fig. 5).

Poosiowe przemieszczenie popychacza 23 powoduje, że trzpień 22 przesuwając się przez rowki krzywkowe A, B, C zespołu tulei 19, 20, 21 wymusza względny ruch obrotowy drugiej 20 i trzeciej 21 tulei wobec pierwszej 19.

Skosy krzywkowych rowków A, B, C oraz ich długości są tak dobrane, że po przemieszczeniu trzpienia 22 przez popychacz 23 z dolnego skrajnego położenia (z dolnego końca rowków) w górne skrajne położenie (w górny koniec rowków), tuleje 20 i 21 wraz z przyporządkowanymi centralnymi kołami drugim 16 i trzecim 17, wymuszają poprzez bezpoślizgowe przekładnie zmianę względnego położenia kątowego drugiej i trzeciej łopaty 7 wirnika względem pierwszej, której pozycja nie uległa zmianie - ustawiając łopaty 7 wirnika z położenia roboczego (fig. 6) do położenia spoczynkowego (neutralnego), w którym łopaty 7 pod naporem wiatru zajmują pozycję statecznika (chorągiewki), zatrzymując wirnik (fig. 7).

Zrozumiałe jest przy tym, że w pozycji roboczej łopaty 7 wirnika są tak wzajemnie usytuowane, że gdy płaszczyzna główna przykładowo pierwszej z nich ustawi się w osi obrotu wirnika, to płaszczyzny główne dwóch pozostałych łopat 7 są nachylone symetrycznie pod kątem 60° względem płaszczyzny głównej usytuowanej w osi obrotu. Natomiast w pozycji spoczynkowej (neutralnej), w której łopaty wirnika zachowują się jak statecznik, gdy płaszczyzna główna pierwszej łopaty 7 ustawi się w osi obrotu wirnika, to płaszczyzny główne dwóch pozostałych łopat nachylone będą symetrycznie pod kątem mniejszym niż 60° względem płaszczyzny głównej usytuowanej w osi obrotu, a ponadto ich krawędź przecięcia będzie usytuowana dalej od osi obrotu niż zewnętrzna krawędź pierwszej łopaty 7.

W prezentowanym przykładzie, do przemieszczania popychacza23 z trzpieniem 22 użyto aktuatorów 24 w postaci bistabilnych siłowników elektromagnetycznych.

Jednak oczywistym i zrozumiałym dla znawców jest, że w dalszym rozwinięciu wynalazku można w tym celu użyć aktuatorów 24 o ciągłym działaniu, na przykład aktuatorów liniowych o napędzie śrubowym, co pozwoli zmieniać położenie łopat 7 wirnika nie tylko między pozycją pracy a pozycją spoczynkową, ale także stopniowo zmniejszać obroty wirnika poprzez płynne ograniczanie powierzchni czynnej łopat 7 wirnika.

Zrozumiałe jest również to, że aby zabezpieczyć wirnik przed uszkodzeniem wskutek przekroczenia obrotów dopuszczalnych, aktuatory 24 winny być w dowolny sposób efektywnie sterowane w funkcji obrotów wirnika. Niemniej jednak oczywiste jest, iż rozwiązanie zagadnienia takiego sterowania wykracza poza przedmiotowy zakres niniejszego wynalazku.

Claims (5)

1. Siłownia wiatrowa z wirnikiem karuzelowym o pionowej osi obrotu, mająca konstrukcję wsporczą i prądnicę napędzaną przez wirnik wiatrowy osadzony na konstrukcji wsporczej, przy czym wirnik zawiera u dołu trójramienną napędową belkę, ułożyskowaną w środku symetrii według pionowej osi obrotu i połączoną kinematycznie z prądnicą oraz ma trzy jednakowe łopaty, ułożyskowane dolnymi czopami na końcach ramion napędowej belki w jednakowych kątowych odstępach, zaś górnymi czopami ułożyskowane na końcach ramion trójramiennej stężającej belki, usytuowanej ponad belką napędową i ułożyskowanej w środku symetrii według pionowej osi obrotu, przy czym łopaty są sprzęgnięte przez bezpoślizgowe przekładnie o przełożeniu 1:2 z zespołem centralnych kół, który jest ustalony współosiowo z osią obrotu wirnika i którego położenie kątowe względem ramion belki napędowej wyznacza mechanizm naprowadzania wirnika na wiatr, znamienna tym, że każde z kół zespołu centralnych kół (15), (16), (17) jej wirnika jest wyposażone w jedną tuleję (19), (20), (21), a tuleje te są obrotowo ułożyskowane względem siebie oraz względem konstrukcji wsporczej, zaś każda z tulei (19), (20), (21) ma na swej pobocznicy dwa przeciwlegle usytuowane krzywkowe rowki (A), (B), (C) przez które przechodzi wspólny dla wszystkich tulei (19), (20), (21) trzpień (22), usytuowany promieniowo i ustalający położenie kątowe tulei (19), (20), (21) względem siebie oraz położenie kątowe zespołu tulei (19), (20), (21) względem konstrukcji wsporczej, przy czym rowek (A) pierwszej tulei (19) pierwszego centralnego koła (15) jest poosiowy w stosunku do osi obrotu wirnika, rowek (B) drugiej tulei (20) drugiego centralnego koła (16) jest skierowany w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie w lewo

PL 219 916 B1 lub ukośnie prawo, a rowek (C) trzeciej tulei (21) trzeciego centralnego koła (17) jest skierowany w stosunku do osi obrotu wirnika ukośnie, w stronę przeciwną niż rowek (B) drugiej tulei (20), oraz że trzpień (22) jest osadzony na popychaczu (23) sprzęgniętym z przynajmniej jednym aktuatorem (24), który jest ustalony na konstrukcji wsporczej i poprzez popychacz (23) przemieszcza poosiowo trzpień (22) w krzywkowych rowkach (A), (B), (C) zespołu tulei (19), (20), (21), wymuszając względny ruch obrotowy drugiej (20) i trzeciej (21) tulei względem pierwszej (19), z jednoczesnym zachowaniem kątowego położenia pierwszej tulei (19) względem konstrukcji wsporczej.

2. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że przemieszczenie trzpienia (22) z jednego końca krzywkowych rowków (A), (B), (C) w drugi, wymusza ruch obrotowy drugiej (20) tulei przyporządkowanej drugiemu (16) centralnemu kołu i trzeciej (21) tulei przyporządkowanej trzeciemu (17) centralnemu kołu tak, że bezpoślizgowe przekładnie zmieniają wzajemne położenie kątowe dwóch łopat (7) wirnika względem łopaty (7) pozostającej w dotychczasowym położeniu, z położenia roboczego łopat (7) wirnika w położenie spoczynkowe, w którym łopaty (7) pod naporem wiatru zajmują pozycję statecznika.

3. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że aktuator (24) jest sterowany w funkcji obrotów wirnika.

4. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że aktuator (24) jest siłownikiem elektromagnetycznym.

5. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że aktuator (24) jest aktuatorem liniowym o napędzie śrubowym.