PL226556B1 - Turbina wiatrowa z pionowym wałem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa z pionowym wałem, przeznaczona do wykorzystania energii wiatru w celach gospodarczych.

Znane są turbiny wiatrowe o pionowej osi wirnika między innymi z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych nr nr 3 897 170, 3 902 072, 4 496 273, 6 779 966, 7 258 527. Turbiny te charakteryzują się tym, że do osi pionowej, poprzez różnego rodzaju piasty i przekładnie, mocowane są ramiona, na końcach których umieszczone są różnego rodzaju i kształtu łopaty, przy czym liczba ramion jest różna z reguły od trzech do dziewięciu. Ponadto łopaty wyposażone są w elementy umożliwiające ich częściowy obrót stosownie do kierunku wiatru, któremu w danej chwili są podporządkowane. Istotny dla sprawności turbiny wiatrowej jest optymalny dobór liczby łopat ich kształt oraz sposób ustawiania się do kierunku wiatru. Stosowane są tu rozwiązania polegające na tym, że łopata jest osadzona obrotowo w jednym końcu, zaś w pewnej odległości od osi obrotu umieszczony jest kołek lub powierzchnia oporowa, która stwarza warunki do odbioru energii wiatru, zaś podczas ruchu pod wiatr łopaty przyjmują pozycję względem wiatru o najmniejszej powierzchni przez co uzyskuje się różnicę momentów.

Ponadto znana jest z polskiego opisu patentowego nr 70 658 turbina wiatrowa z pionowym wałem, której wirnik składa się z ruchomych łopat osadzonych przegubowo na ramionach, mocowanych promieniowo na obwodzie tego wału. Z polskiego opisu patentowego nr 105 099 znana jest turbina wiatrowa z wirnikiem o wale pionowym, do którego prostopadle w kilku poziomach zamontowane są po cztery osie poziome, a na nich dwuczęściowe łopaty ruchome.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 54 609 turbinowy silnik powietrzny, wyposażony w dwa wirniki o osiach pionowych, zamontowanych na wspólnej płycie nośnej. Wirniki obudowane są częściowo dwoma symetrycznymi kierownicami dla strug powietrza.

Polskie opisy patentowe nr 40 165 - silnik wiatrowy oraz nr 40 378 - silnik wiatrowy o wale pionowym również omawiają konstrukcje siłowni wiatrowych o wirnikach z osiami pionowymi i ruchomymi łopatami.

W polskim opisie patentowym nr 25 034 przedstawiono silnik wiatrowy, składający się z walca osadzonego na osi pionowej z umocowanymi na jego powierzchni na osiach, równoległych do osi walca, ruchomymi skrzydłami, posiadającymi krzywiznę taką jak krzywizna powierzchni walca. Każde ze skrzydeł pokrywa odpowiednią część tej powierzchni. Działanie silnika polega na tym, że w stanie spoczynku pod naciskiem sprężyn skrzydła ustawiają się promieniowo do osi walca, dociskając się wypukłą stroną do podpórek. Pod naporem wiatru obrót spowodowany jest przez uderzenie we wklęsłą powierzchnię skrzydła, utrzymywaną w położeniu promieniowym, zaś wypukłe powierzchnie skrzydła są przyciskane do powierzchni walca.

Znane są również silniki wiatrowe o pionowej osi wirnika między innymi z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 3 897 170. Silniki te charakteryzują się tym, że do osi pionowej, poprzez różnego rodzaju piasty i przekładnie, mocowane są ramiona, na końcach których umieszczone są różnego rodzaju i kształtu łopaty, przy czym liczba ramion jest różna z reguły od trzech do dziewięciu.

Ponadto łopaty wyposażone są w elementy umożliwiające ich częściowy obrót stosownie do kierunku wiatru, któremu w danej chwili są podporządkowane. Istotny dla sprawności silnika wiatrowego jest optymalny dobór ilości łopat ich kształt oraz sposób ustawiania się do kierunku wiatru, to znaczy samosterowność.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego 162 656 silnik wiatrowy wyposażony w łopaty, które w przekroju poprzecznym mają kształt skrzydła samolotu, przy czym łopata jest podzielona wzdłuż osi wzdłużnej na dwie części, górną i dolną, zaś pomiędzy tymi częściami umieszczona jest leżąca również w osi wzdłużnej belka stabilizująco-wzmacniająca. Części, górna i dolna, łopaty są ze sobą połączone wahliwie w taki sposób, że w części przedniej, tworzą owalną część łopaty i połączone są liniowo poprzez belkę stabilizująco-wzmacniająca, w części tylnej połączone są układem dźwigniowym, przy czym układ ten powoduje otwieranie i zamykanie łopaty a poruszany jest przez lotkę stanowiącą przedłużenie części dolnej, a po zamknięciu łopaty przedłużenie zarysu części górnej. Wykonane w powyższy sposób łopaty, których oś wzdłużna jest równoległa do osi pionowej silnika są połączone w znany sposób z osią pionową.

Znana jest siłownia wiatrowa o pionowej osi obrotu opisana w niemieckim opisie patentowym nr 2 826 180. W pierścieniu centrycznym względem pionowej osi obrotu ma osadzone na obwodzie pionowe osie, na których są osadzone żagielki. Powierzchnia żagielków jest podzielona przez wspomniane pionowe osie na dwie nierówne części. Pionowe osie mają poniżej pierścienie zamocowane

PL 226 556 B1 prostoliniowe jarzma, a w nich ślizgające się wodziki osadzone na korbach, których drugie ramię jest związane ze sterującym pierścieniem. Sterujący pierścień jest usytuowany mimośrodowo względem osi obrotu siłowni i ma wewnętrzny zębaty wieniec. Również pierścień z żagielkami ma wewnętrzny zębaty wieniec. Obydwa zębate wieńce są sprzężone zębatym mechanizmem. Obrót pierścienia wywołuje obrót sterującego pierścienia, przez co wodziki powodują poprzez jarzma obrót pionowych osi z żagielkami. Żagielki ustawiane są zatem poprzecznie do kierunku wiatru po stronie siłowni poruszającej się zgodnie z tym kierunkiem i równolegle do kierunku wiatru po stronie poruszającej się przeciwnie do kierunku wiatru.

Istotą turbiny wiatrowej z pionowym wałem, z którym sprzężony jest generator prądowy oraz ma równomiernie rozmieszczone na jego obwodzie cztery prostopadłe i na dwóch poziomach, na których końcach umieszczone są wieloczłonowe skrzydła sprzężone mechanicznie parami, charakteryzuje się tym, że wieloczłonowe skrzydła umieszczone są pomiędzy dwiema dwuczłonowymi równoległymi płytami umieszczonymi na wspólnej osi, przy czym jedne przymocowane są na sztywno do osi głównej skrzydła, zaś drugie przymocowane są do tej osi wahliwie. Natomiast pomiędzy płytami umieszczonymi wahliwie przymocowane jest na stałe skrzydło główne o symetrycznym profilu lotniczym, do którego krawędzi spływu przymocowany jest elastyczny płaski płat zakończony sztywną listwą, do której końca przymocowane jest skrzydło końcowe poprzez co najmniej trzy elastyczne łączniki, zaś przed skrzydłem głównym pomiędzy płytami umieszczonymi wahliwie osadzone jest obrotowo skrzydło czołowe o symetrycznym profilu lotniczym, przy czym obwiednie obrysów skrzydła głównego i czołowego nie przecinają się, przy czym w pozycji położenia skrzydeł od strony nawietrznej, gdy oś symetrii płyty sztywnej jest prostopadła do osi ramienia wirnika oś skrzydła czołowego przesunięta jest wraz z kierunkiem przepływu wiatru o wartość równą co najmniej grubości profilu skrzydła głównego mierzonej w osi obrotu płyt wahliwych. Jednocześnie turbina zawiera drugi generator prądowy umieszczony obrotowo w osi wału turbiny napędzany od linek sterujących sprzęgających parami wieloczłonowe skrzydła, przy czym linki sterujące przymocowane są do ramion naciągowych związanych sztywno z osiami głównych skrzydeł i są usytuowane w kierunku osi wału turbiny, zaś po przeciwnej stronie osi na ustalonej długości ramion umieszczone są masy równoważące, przy czym linki sterujące przechodzą pomiędzy rolkami ustalającymi, których osie obrotu umieszczone są na ramionach wirnika w odległości nie większej niż długość ramienia naciągowego mierzona od łącznika linki sterującej oraz przechodzą przez rolki prowadzące umieszczone obrotowo na tarczy osadzonej na wale wirnika drugiego generatora, która połączona jest ze stojanem drugiego generatora poprzez zespół sprężyn naciskowych rozmieszczonych na stałym promieniu od osi drugiego generatora.

Korzystnie jest, gdy do stojana drugiego generatora jest przymocowana przekładnia ślimakowa poprzez ślimacznicę oraz, gdy na ramieniu naciągowym w pobliżu mocowania liny sterującej umieszczony jest magnes stały a na ramieniu wirnika turbiny umieszczony jest drugi magnes stały, przy czym magnesy te zwrócone są ku sobie jednoimiennymi biegunami i umieszczone na tym samym promieniu od osi skrzydła głównego, natomiast na ramieniu wirnika turbiny przed drugim magnesem umieszczony jest elastyczny ogranicznik obrotu skrzydła wieloczłonowego.

Korzystnie jest, gdy kąt zawarty pomiędzy osią ramienia naciągowego a osią symetrii płyty sztywnej wynosi 45°.

Korzystnie jest, gdy do skrzydła czołowego przymocowana jest na ramieniu płetwa sterująca.

Korzystnie także jest, gdy do jednej z płyt wahliwych przymocowana jest na ramieniu płetwa sterująca.

Korzystnie jest, gdy oś skrzydła czołowego umieszczona jest w ½ jego długości.

Turbina wiatrowa z pionowym wałem przedstawiona jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia turbinę w rzucie bocznym, fig. 2 przedstawia turbinę w rzucie z góry, fig. 3 szczegół związany z drugim generatorem - przekrój wzdłużny, fig. 4 - szczegół związany z drugim generatorem - widok z góry z wyrwaniami, fig. 5 - szczegół związany z rozmieszczeniem mas równoważących i amortyzacji skrzydła, fig. 6 - widok z góry przedstawiający wzajemne położenie płyty stałej i wahliwej, fig. 7 - ogólny widok skrzydła wieloczłonowego, fig. 8 - widok z góry dla wariantu skrzydła wieloczłonowego z płetwą sterującą związaną ze skrzydłem czołowym, fig. 9 - fig. 16 fazy położeń skrzydła wieloczłonowego na obwodzie wału turbiny odpowiednio dla kątów 0°, 45°, 90°, 135°, 165°, 180°, 220° i 225°.

Turbina z pionową osią obrotu składa się z wału 1, do którego przytwierdzone są na stałe i prostopadle na dwóch poziomach ramiona 11 poprzez tarcze łączące 11A. Ramiona te rozmieszczone są równomiernie na obwodzie wału 1, na końcach których osadzone są obrotowo osie skrzydeł głównych 10. Na osi tej umieszczone są dwuczłonowe płyty sztywna 14, wahliwe 17 i 17A, z których jedna sztywna

PL 226 556 B1 związana jest na stałe z osią 10 poprzez element mocujący 19 kołki blokujące 19A, natomiast płyty 17 i 17A osadzone są wahliwie na osi 10. Pomiędzy płytami 17 i 17A umieszczonymi wahliwie przymocowane jest na stałe skrzydło główne 13 o symetrycznym profilu lotniczym. Do krawędzi spływu tego skrzydła przymocowany jest elastyczny płaski płat 13A zakończony sztywną listwą 13C, do której końca przymocowane jest skrzydło końcowe 13B poprzez trzy elastyczne łączniki 15. Przed skrzydłem głównym 13 pomiędzy płytami umieszczonymi wahliwie 17 i 17A osadzone jest na osi 12A obrotowo skrzydło czołowe 12 o symetrycznym profilu lotniczym, którego skrajne położenia ustalają ograniczniki 12B. Obwiednie zakreślone przez końce skrzydła głównego 13 i czołowego 13 nie przecinają się. Jednocześnie w pozycji położenia skrzydła głównego 13 i skrzydła czołowego 12 od strony nawietrznej, gdy oś symetrii płyty sztywnej 28 jest prostopadła do osi ramienia wirnika 11 oś skrzydła czołowego przesunięta jest wraz z kierunkiem przepływu wiatru o wartość równą grubości profilu skrzydła głównego 13 mierzonej w osi 10 obrotu płyt wahliwych. Z wałem 1 turbiny w jego dolnej części sprzęgnięty jest pierwszy generator 2, natomiast na górnej części wału turbiny w jego osi osadzony jest drugi generator 2A. Generator ten umieszczony jest obrotowo w osi wału 1 turbiny i napędzany jest od linek sterujących 7 sprzęgających parami przeciwległe wieloczłonowe skrzydła. Regulacji napięcia linek sterujących 7 dokonuje się za pomocą regulatora składającego się z tulei obrotowej 27 umieszczonej na wale 1 turbiny, do tulei tej przymocowana jest ślimacznica 3 napędzana od silnika krokowego 3B poprzez ślimak 3A. Silnik krokowy 3B umieszczony jest na podstawie 3C przymocowanej do ramion 11. Regulator z przekładnią ślimakową pozycjonuje położenie kątowe stojana 2C drugiego generatora 2A względem ramion 11 wirnika 1 turbiny. Zmiana kąta położenia stojana 2C drugiego generatora 2A powoduje zmianę położenia tarczy 4 osadzonej na wale wirnika 2B drugiego generatora 2A. Przez to rolki prowadzące 5 umieszczone na tarczy 4 zmieniają napięcie linki sterującej 7 przechodzącej między nimi i powodują zmianę kąta położenia skrzydła wieloczłonowego znajdującego się w fazie 180° uwidocznionej na fig. 14. Gdy linka sterująca 7 jest napinana przez przekładnię ślimakową powodująca obrót tarczy 4 w prawo to w tym czasie zmniejsza się kąt zawarty pomiędzy osią 28 płyty sztywnej a osią symetrii ramienia 11 wirnika 1 turbiny. Zmiana ta pociąga za sobą zwiększenie momentu sił przekazywanych na oś 2B wirnika drugiego generatora 2A. W sytuacji, gdy wieloczłonowe skrzydło zmienia swoją pozycję i wykonuje obrót przechodząc z fazy 165° do fazy 180° przedstawionych na fig 13 i 14, wówczas linka sterująca 7 przechodząca przez rolki prowadzące 5 i łącząca przeciwległe wieloczłonowe skrzydła poprzez ramiona naciągowe 9C powoduje przyciągnięcie przeciwległego skrzydła w stronę wału 1 turbiny, jednocześnie dążąc do napięcia, co powoduje obrót tarczy 4 związanej z drugim generatorem 2A. Tarcza 4, na której osadzone są rolki prowadzące 5 oddziałuje w konsekwencji na sprężyny naciskowe 25, które amortyzują napięcie linki sterującej 7.

Drugi generator 2A z odpowiednio dobraną rezystancją odbiera energię z napięcia linki sterującej 7. W czasie powrotu do pozycji wyjściowej sprężyny naciskowe 25 wykonują pracę powodując powrót tarczy 4. Linki sterujące 7 przymocowane są do ramion naciągowych 9C związanych sztywno poprzez element mocujący 9 z zaciskami 9A z osiami 10 głównych skrzydeł i są usytuowane w kierunku osi wału 1 turbiny. Po przeciwnej stronie osi 10 na ustalonej długości ramion 9B umieszczone są masy równoważące 9D. Jednocześnie linki sterujące 7 przechodzą pomiędzy rolkami ustalającymi 6, których osie obrotu 6B umieszczone są na ramionach 11 wirnika w odległości równej długość ramienia naciągowego 9C mierzonej od łącznika 8 linki sterującej. Dalej linki sterujące 7 przechodzą przez rolki prowadzące 5 umieszczone obrotowo na osiach 5A umieszczonych na tarczy 4. Tarcza ta osadzona jest na wale 2B wirnika drugiego generatora 2A i połączona jest ze stojanem 2C drugiego generatora 2A poprzez zespół sprężyn naciskowych 25 rozmieszczonych na stałym promieniu od osi drugiego generatora 2A. Do tarczy 4 przymocowane są na sztywno dwa wsporniki 22 rozmieszczone symetrycznie. Do wsporników 22 przymocowane są na zawiasach 24A trzpienie 24, na których umieszczone są sprężyny naciskowe 25. Sprężyny naciskowe opierają się z jednej strony o wspornik 22, zaś z drugiej strony o tuleję 26 wspornika 23 połączonego ze stojanem 2C.

W turbinie zastosowano amortyzatory magnetyczne w postaci magnesów stałych 20 i 20A umieszczonych odpowiednio na ramionach naciągowych 9C i na ramionach 11 wirnika 1 turbiny. Ramiona naciągowe 9C ustalają pozycję skrzydła wieloczłonowego i tworzą stały kąt względem osi symetrii 28 płyty sztywnej 14 równy 45°, przy czym elementy skrzydła wieloczłonowego: oś 10 skrzydła głównego, płyta sztywna 14, skrzydło końcowe 13B wraz z ramieniem naciągowym 9C tworzą zamknięty sztywny układ. Ponadto na ramionach 11 wirnika 1 umieszczone są elastyczne ograniczniki 16 skrzydła wieloczłonowego przejmujące końcową energię zmiany położenia skrzydła wieloczłonowego uwidocznione na fig. 11.

PL 226 556 B1

Dla przyspieszenia zmian położenia skrzydła czołowego 12 zastosowano układ wspomagający składający się z płetwy sterującej 18B połączonej ze skrzydłem czołowym 12 poprzez ramię 18C, zaś położenie płyt wahliwych 17 i 17A wspomagane jest płetwą sterującą 18 połączoną z płytą wahliwą 17A poprzez ramię 18A. Zastosowanie wymienionych powyżej płetw sterujących 18 i 18B usprawnia właściwe wysklepienie skrzydła wieloczłonowego powodując korzystne przepływy strugi powietrza w strefie po zawietrznej przedstawionej 21.

Claims (7)

1. Turbina wiatrowa z pionowym wałem, z którym sprzężony jest generator prądowy oraz ma równomiernie rozmieszczone na jego obwodzie cztery prostopadłe i na dwóch poziomach rozmieszczone symetrycznie ramiona, na których końcach umieszczone są wieloczłonowe skrzydła sprzężone mechanicznie parami, znamienna tym, że wieloczłonowe skrzydła umieszczone są pomiędzy dwiema dwuczłonowymi równoległymi płytami (14, 17 i 17A) umieszczonymi na wspólnej osi (10), przy czym jedne (14) przymocowane są na sztywno do osi (10) głównej skrzydła, zaś drugie (17 i 17A) przymocowane są do tej osi (10) wahliwie, natomiast pomiędzy płytami umieszczonymi wahliwie (17 i 17A) przymocowane jest na stałe skrzydło główne (13) o symetrycznym profilu lotniczym, do którego krawędzi spływu przymocowany jest elastyczny płaski płat (13A) zakończony sztywną listwą (13C), do której końca przymocowane jest skrzydło końcowe (13B) poprzez co najmniej trzy elastyczne łączniki (15), zaś przed skrzydłem głównym (13) pomiędzy płytami umieszczonymi wahliwie (17 i 17A) osadzone jest obrotowo skrzydło czołowe (12) o symetrycznym profilu lotniczym, przy czym obwiednie obrysów skrzydła głównego (13) i czołowego (12) nie przecinają się, zaś w pozycji położenia skrzydeł od strony nawietrznej, gdy oś symetrii (28) płyty sztywnej (14) jest prostopadła do osi ramienia wirnika (11) a oś skrzydła czołowego przesunięta jest wraz z kierunkiem przepływu wiatru o wartość równą co najmniej grubości profilu skrzydła głównego (13) mierzonej w osi (10) obrotu płyt wahliwych (17 i 17A), oraz zawiera drugi generator prądowy (2A) umieszczony obrotowo w osi (1) wału turbiny napędzany od linek sterujących (7) sprzęgających parami wieloczłonowe skrzydła, przy czym linki sterujące (7) przymocowane są do ramion naciągowych (9C) związanych sztywno z osiami (10) głównych skrzydeł (13) i są usytuowane w kierunku osi (10) wału turbiny, zaś po przeciwnej stronie osi (10) na ustalonej długości ramion (9B) umieszczone są masy równoważące (9D), przy czym linki sterujące (7) przechodzą pomiędzy rolkami ustalającymi (6), których osie obrotu (6A) umieszczone są na ramionach (11) wirnika (1) w odległości nie większej niż długość ramienia naciągowego (9C) mierzona od łącznika (8) linki sterującej (7) oraz przechodzą przez rolki prowadzące (5) umieszczone obrotowo na tarczy (4) osadzonej na wale (2B) wirnika drugiego generatora (2A), która połączona jest ze stojanem (2C) drugiego generatora (2A) poprzez zespół sprężyn naciskowych (25) rozmieszczonych na stałym promieniu od osi (2B) drugiego generatora (2A).

2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że do stojana (2C) drugiego generatora (2A) przymocowana jest przekładnia ślimakowa poprzez ślimacznicę (3).

3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że na ramieniu naciągowym (9C) w pobliżu mocowania liny sterującej (7) umieszczony jest magnes stały (20) a na ramieniu (11) wirnika (1) turbiny umieszczony jest drugi magnes stały (20A), przy czym magnesy (20 i 20A) zwrócone są ku sobie jednoimiennymi biegunami i umieszczone na tym samym promieniu od osi (10) skrzydła głównego (13), natomiast na ramieniu (11) wirnika (1) turbiny przed drugim magnesem (20A) umieszczony jest elastyczny ogranicznik (16) obrotu skrzydła wieloczłonowego.

4. Turbina według zastrz. 3, znamienna tym, że kąt zawarty pomiędzy osią ramienia naciągowego (9C) a osią symetrii (28) płyty sztywnej (14) wynosi 45°.

5. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że do skrzydła czołowego (12) przymocowana jest na ramieniu (18C) płetwa sterująca (18B).

6. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że do jednej z płyt wahliwych (17, 17A) przymocowana jest na ramieniu (18A) płetwa sterująca (18).

7. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że oś (12A) skrzydła czołowego (12) umieszczona jest w ½ jego długości.