PL228705B1 - Wirnik silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍u)228705 (13) B1 (51) Int.CI.

(21) Numer zgłoszenia: 414000 F03D 3/00 (2006.01)

F03D 3/06 (2006.01) F03D 7/06 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 15.09.2015 (54)

Wirnik silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 27.03.2017 BUP 07/17	(73) Uprawniony z patentu: LAZUR ZBIGNIEW, Lublin, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2018 WUP 04/18	(72) Twórca(y) wynalazku: ZBIGNIEW LAZUR, Lublin, PL

rco

CM

CM

Q_

PL 228 705 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu, przeznaczony do wykorzystania energii wiatru w celach gospodarczych.

Znane są silniki wiatrowe o pionowej osi wirnika między innymi z opisów patentowych US nr 3 897 170, 3 902 072, 4 496 283, 6 779 966. 7 258 527. 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 czyni 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 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 sił.

Ponadto znana jest z opisu patentowego PL 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. opisu patentowego PL 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 łopat)' ruchome.

Znany jest również z opisu patentowego PL 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.

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

W opisie patentowym PL 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 przeciskane do powierzchni walca.

Znane są również silniki wiatrowe o pionowej osi wirnika między innymi z opisu patentowego US 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 urn i es/c/one są różnego rodzaju i kształtu łopaty, przy czym liczba ramion jest różna, z reguły od trzech do dziewięciu. Ponadto łopaty wyposażone są w element) umożliwiające ich częściowy obrót stosownie do kierunku wiatru, któremu w danej chwili są podporządkowane. Istotny dla sprawności silnika wiatrowego jest optymalny dobór liczby łopat ich kształt oraz sposób ustawiania się do kierunku wiatru, to znaczy samosterowność.

Znany jest również z opisu patentowego PL 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 wahl i wie w taki sposób, że w części przedniej, tworzącej owalną część łopaty, połączone są liniowo poprzez belkę stabilizująco-wzmacniającą, 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 zaniknięciu 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 opisie patentowym DL 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 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

PL 228 705 B1 i ma wewnętrzny zębaty wieniec. Również pierścień z żagielkami ma wewnętrzne- zębate 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 wirnika silnika wiatrowego z pionową osią obrotu, składającego się z wału odbioru mocy z równomiernie rozmieszczonymi po jego obwodzie i prostopadłymi do niego zestawami ramion, w których końcach umieszczone są obrotowo skrzydła, jest to, że zawiera mimośród osadzony obrotowo względem osi wału odbioru mocy i przesuwnie względem niego w płaszcz)żnie prostopadłej do niej, zaś skrzydło składa się z co najmniej dwóch segmentów połączonych szeregowo i obrotowo względem poprzedzającego segmentu tworzących w płaszczyźnie poprzecznej aerodynamiczny profil o zmiennej geometrii i profilach segmentów w tej płaszczyźnie symetrycznych, z których pierwszy segment ma krawędź natarcia a ostatni zakończony jest krawędzią spływu, przy czy pierwszy segment skrzydła zawiera osadzony w nim na stałe łącznik łączący pierwszy segment z ramieniem wirnika za pomocą sworznia przechodzącego przez pierwszy otwór łącznika i otwór w ramieniu wirnika oraz z mimośrodem poprzez cięgno główne o regulowanej długości osadzone obrotowo na mimośrodzie a z drugiej strony w drugim otworze łącznika z osadzonym w min drugim sworzniem, natomiast segmenty począwszy od drugiego osadzone są obrotowo w końcach poprzedzającego segmentu za pomocą połączenia zawiasowego przy czym segmenty te mają cięgna wtórne łączące je bezpośrednio i/lub pośrednio z mimośrodem, zaś zestawy ramion rozmieszczone są w jednej lub kilku płaszczyznach.

Korzystnie jest, gdy skrzydło ma budowę szkieletową w kształcie zamkniętej konstrukcji ramowej utworzonej z pionowego sztywnego profilu rurowego zakończonego z obu stron identycznymi profilami łukowymi osadzonymi sztywno w pionowym profilu rurowym, zaś końce profili łukowych połączone są zamykającym profilem sprężystym z wybrzuszeniem na zewnątrz, przy czym pionowy profil rurowy i zamykający profil sprężysty połączone są na sztywno z co najmniej jednym łącznikiem utrzymującym stały dystans między nimi. natomiast sztywny profil rurowy ma osadzony obrotowo symetryczny w przekroju poprzecznym segment sztywny skrzydła dzielony co najmniej w jednym miejscu, w którym osadzony jest segment elastyczny skrzydła dochodzący w pobliże zamykającego profilu sprężystego i połączone z nim poprzez przesuwające się po nim zaciski, natomiast boczne końce segmentu elastycznego skrzydła mają profil zbliżony do kształtu płetwy rekina z tulejkami, przez które przechodzi zamykający profil a boczne końce segmentu elastycznego skrzydła połączone są z profilami łukowymi poprzez sprężyny naciągowe, przy czym segment elastyczny skrzydła na całej długości krawędzi spływu ma elastyczny pas wzmacniający.

Korzystnie jest, gdy łącznik w płaszczyźnie poziomej ma kształt zbliżony do litery „V”, której ramiona tworzą kąt rozwarty a w pobliżu końców ramion znajdują się przelotowe otwory.

Ponadto korzystnie jest, gdy ramiona łącznika mają przedłużenia w kształcie łuków, w końcach, których znajdują się dzielone otwory.

Korzystnie jest, gdy sprężyny naciągowe mają osie równoległe do osi tulejek.

Ponadto korzystnie jest, gdy skrzydło złożone z segmentów ma po obrysie zewnętrznym w płaszczyźnie pionowej kształt figury geometrycznej ograniczonej poczynając od poziomej płaszczyzny symetrii po stronie krawędzi natarcia linią prostą tub linią wypukłą o niewielkiej krzywiźnie, która przechodzi łagodnie w łuk a dalej w część szczytową o kształcie zbliżonym do kształtu płetwy grzbietowej rekina przechodzącą na stronę krawędzi spływu i zakończoną wypukłym lukiem o niewielkiej krzywiźnie.

Korzystnie jest, gdy mimośród osadzony jest obrotowo względem wału głównego i przesuwnie względem niego na prowadnicach rozmieszczonych symetrycznie względem płaszczyzny przechodzącej przez oś mimośrodu i oś wału głównego.

Korzystnie jest, gdy cięgna wtórne kolejnych segmentów skrzydła począwszy od drugiego osadzone są obrotowo na wspólnej osi cięgna głównego pierwszego segmentu.

Korzystnie jest, gdy cięgnu wtórne kolejnych segmentów skrzydła począwszy od drugiego osadzone są obrotowo na poprzedzającym je cięgnie.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje widok aksonometryczny turbiny wiatrowej z pionową osią obrotu, fig. 2 widok aksonometryczny turbiny wiatrowej w zbliżeniu na prądnice i mechanizm mimośrodowy, fig. 3 widok aksonometryczny połączenia segmentów skrzydła z ramionami turbiny i cięgnem głównym i wtórnym, fig. 4 widok aksonometryczny segmentów skrzydła sztywnego, fig. 5 rzut boczny skrzydła, fig. 6 widok aksonometryczny segmentów skrzydła sztywnego w zbliżeniu, fig. 7 pojedyncze skrzydło, fig. 8 rzut z góry skrzydła

PL 228 705 B1 z łącznikiem, fig. 9 widok aksonometryczny turbiny z wirnikiem ze skrzydłami elastycznymi, fig. 10 widok aksonometryczny skrzydła elastycznego, fig. 11 zbliżenie widoku skrzydła elastycznego z łącznikami, fig. 12 zbliżenie skrzydła elastycznego z widokiem na końcówkę skrzydła oraz fig. 13 rzut z góry na mimośród.

Figury 1-8 przedstawiają turbinę wiatrową o pionowej osi obrotu w wersji skrzydła sztywnego wykonanego w technologii kompozytowej. Wirnik turbiny składa się z walu (1), do którego przymocowane są prostopadle do niego zespoły ramion (2). Do końców ramion (2) przy mocowane są obrotowo skrzydła (4) poprzez łączniki (5) z otworami.

Przez pierwszy otwór (5a) przechodzi sworzeń (6a) łączący skrzydło z ramieniem (2), natomiast drugi otwór (5b) łączy przez przechodzący przez niego drugi sworzeń (6b) cięgno główne (7) o regulowanej długości z mimośrodem 3 przedstawionym na fig. 13. Mimośród (3) osadzony jest obrotowo na wale odbioru mocy (1) i ma możliwość zmiany wielkości mimośrodu „e” przez zastosowanie przesuwnego suportu (19) przesuwającego się po prowadnicach (14) osadzonych w obsadach (14a) przymocowanych do obrotowej tarczy (20) obracającej się względem wału odbioru mocy (1). W związku z tym możliwe jest dowolne ustawienie skrzydeł (4) względem napływającego wiatru dzięki połączeniu skrzydeł (4) poprzez cięgna główne (7) i cięgna wtórne (8) z mimośrodem (3). Obrót mechanizmu mimośrodu (3) powoduje poprzez cięgna główne (7) cięgna wtórne (8) zmianę położenia kątowego segmentów skrzydeł (4a) i (4h) przez obrót na sworzniu (6a) i zawiasie (15). Drugim rozwiązaniem jest zastosowanie innego rozwiązania skrzydła przedstawionego na fig. 9-12, które ma budowę szkieletową w kształcie zamkniętej konstrukcji ramowej utworzonej z pionowego sztywnego profilu rurowego (4 c) zakończonego z obu stron identycznymi profilami łukowymi (4d) osadzonymi sztywno w pionowym profilu rurowym (4c). Końce profili łukowych (4d) połączone są zamykającym profilem sprężystym (4e) z wybrzuszeniem na zewnątrz a pionowy profil rurowy (4c) i zamykający profil sprężysty (4e) połączone są na sztywno z dwoma łucznikami (5) utrzymującym stały dystans między nimi. Natomiast sztywny profil rurowy (4c) ma osadzony obrotowo symetryczny w przekroju poprzecznym segment sztywny skrzydła (4f) dzielony poprzecznie w dwóch miejscach co powoduje, że cała konstrukcja jest sztywna i odkształcalna w niewielkim zakresie. W części tylnej segmentu sztywnego skrzydła (41) osadzony jest segment elastyczny skrzydłu (4g) dochodzący w pobliże zamykającego profilu sprężystego (4e). Dystans ten utrzymywany jest za pomocą przesuwających się po nim zaciskach (10). Natomiast boczne końce segmentu elastycznego skrzydła (4h) mają profil zbliżony do kształtu płetwy rekina z tulejkami (11), przez które przechodzi zamykający profil sprężysty (4e) a boczne końce segmentu elastycznego skrzydła (4h) połączone są z profilami łukowy mi (4d) poprzez sprężyny (12) naciągowe. Sprężyny naciągowe (12) powodują stały naciąg segmentu elastycznego skrzydła (4h). Jednocześnie segment elastyczny skrzydła (4g) na całej długości krawędzi spływu ma elastyczny pas wzmacniający (13) powodujący usztywnienie i wzmocnienie tej krawędzi.

Skrzydło (4) w wersji sztywnej wykonanej z kompozytów przedstawione jest na fig. 4-6 i składa się z dwóch segmentów (4a) i (4b) i ma po obrysie zewnętrznym w płaszczyźnie pionowej kształt figury geometrycznej ograniczonej poczynając od poziomej płaszczyzny symetrii B-B po stronie krawędzi natarcia linią prostą lub linią wypukłą (9') o niewielkiej krzywi/nie. Unia ta przechodzi łagodnie w tuk (9) a dalej w część szczytową (9') o kształcie zbliżonym do kształtu płetwy grzbietowej rekina, która dalej przechodzi na stronę krawędzi spływu i zakończona jest wypukłym łukiem (9) o niewielkiej krzywiźnie.

Przedstawione rozwiązanie wraz z pakietem skrzydeł (4) osadzonych obrotowo w ramionach (2) i połączone z wałem odbioru mocy (3) tworzące wirnik turbiny napędza prądnicę (16), która osadzona jest na słupie nośnym (18) posadowionym na stosownym fundamencie. Poniżej prądnicy (16) znajduje się platforma operacyjna (17) służąca do wykonywania prac montażowych i serwisowych.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wirnik silnika wiatrowego z pionową osią obrotu, składający się z wału odbioru mocy z równomiernie rozmieszczonymi po jego obwodzie i prostopadłymi do niego zestawami ramion, w których końcach umieszczone są obrotowo skrzydła, znamienny tym, że zawiera mimośród (3) osadzony obrotowo względem osi wału odbioru mocy (1) i przesuwnie względem niego w płaszczyźnie prostopadłej do niej, zaś skrzydło (4) składa się z co najmniej dwóch segmentów (4a) i (4b) połączonych szeregowo i obrotowo względem poprzedzającego segmentu tworzących w płaszczyźnie poprzecznej aerodynamiczny profil o zmiennej geometrii i profilach

   PL 228 705 B1 segmentów w tej płaszczyźnie symetrycznych, z których pierwszy segment (4a) ma krawędź natarcia a ostatni zakończony jest krawędzią spływu, przy czy pierwszy segment (4a) skrzydła zawiera osadzony w nim na stale łącznik (5) łączący pierwszy segment (4a) z ramieniem (2a) wirnika za pomocą pierwszego sworznia (6 ) przechodzącego przez pierwszy otwór (5a) łącznika (5) i otwór w ramieniu (2) wirnika oraz z mimośrodem (3) poprzez cięgno główne (7) o regulowanej długości osadzone obrotowo na mimośrodzie (3) a z drugiej strony w drugim otworze (5b) łącznika (5) z osadzonym w nim drugim sworzniem (6b), natomiast segmenty począwszy od drugiego (4b) osadzone są obrotowo w końcach poprzedzającego segmentu (4a) za pomocą połączenia zawiasowego przy czym segmenty te (4b) mają cięgna wtórne (8) łączące je bezpośrednio i/lub pośrednio z mimośrodem (3), zaś zestaw z ramion (2) rozmieszczone są w jednej lub kilku płaszczyznach.
2. 2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że skrzydło (4) ma budowę szkieletową w kształcie zamkniętej konstrukcji ramowej utworzonej z pionowego sztywnego profilu rurowego (4e) zakończonego z obu stron identycznymi profilami łukowymi (4d) osadzonymi sztywno w pionowym profilu rurowym (4c), zaś końce profili łukowych (4d) połączone są zamykającym profilem sprężystym (4e) z wybrzuszeniem na zewnątrz, przy czym pionowy profil rurowy (4c) i zamykający profil sprężysty (4e) połączone są na sztywno z co najmniej jednym łącznikiem (5) utrzymującym stały dystans między nimi, natomiast sztywny profil rurowy (4c) ma osadzony obrotowo symetryczny w przekroju poprzecznym segment sztywny skrzydła (4f) dzielony poprzecznie w co najmniej jednym miejscu, w którym osadzony jest segment elastyczny skrzydła (4g) dochodzący w pobliże zamykającego profilu sprężystego (4c) i połączony z nim poprzez przesuwające się po nim zaciski (10),natomiast boczne końce segmentu elastycznego skrzydła (4h) mają profil zbliżony do kształtu płetwy rekina z tulejkami (II), przez które przechodzi zamykający profil sprężysty (4c) a boczne końce segmentu elastycznego skrzydła (4h) połączone są z profilami łukowymi (4d) poprzez sprężyny (12) naciągowe, przy czym segment elastyczny skrzydła (4g) na całej długości krawędzi spływu ma elastyczny pas wzmacniający (13).
3. 3. Wirnik według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że łącznik (5) w płaszczyźnie poziomej ma kształt zbliżony do litery „V”. której ramiona (5') i (5) tworzą kąt rozwarty a w pobliżu końców ramion znajdują się przelotowe otwory (5a) i (5b).
4. 4. Wirnik według zastrz. 3, znamienny tym, że łącznik (5) ma przedłużenia ramion (5') i (5) w kształcie luków (5c) i (5d),w końcach, których znajdują się dzielone otwory (5e) i (5f).
5. 5. Wirnik według zastrz. 2, znamienny tym, że sprężyny (12) naciągowe mają osie równoległe do osi tulejek (11).
6. 6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że skrzydło (4) złożone z co najmniej dwóch segmentów (4a) i (4b) ma po obrysie zewnętrznym w płaszczyźnie pionowej kształt figury geometrycznej (9) ograniczonej poczynając od poziomej płaszczyzny symetrii B-B po stronie krawędzi natarcia linią prostą łub linią wypukłą (9') o niewielkiej krzywi/nie. która przechodzi łagodnie w łuk (9) a dalej w część szczytową (9''') o kształcie zbliżonym do kształtu płetwy grzbietowej rekina przechodzącą na stronę krawędzi spływu i zakończonej wypukłym lukiem (9'') o niewielkiej krzywiźnie.
7. 7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że mimośród (3) osadzony jest obrotowo względem wału odbioru mocy (1) i przesuwnie względem niego na prowadnicach (14) rozmieszczonych symetrycznie względem płaszczyzny przechodzącej przez oś mimośrodu (3) i oś wału odbioru mocy (1).
8. 8. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cięgna wtórne (8) kolejnych segmentów (4b) skrzydła począwszy od drugiego osadzone są obrotowo na wspólnej osi cięgna głównego (7) pierwszego segmentu (4a).
9. 9. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cięgna wtórne (8) kolejnych segmentów (4b) skrzydła począwszy od drugiego osadzone są obrotowo na poprzedzającym je cięgnie (7).