PL231149B1 - Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu przeznaczona do zamiany energii przepływającego czynnika gazowego, takiego jak wiatr, na energię mechaniczną uzyskiwaną w postaci ruchu obrotowego. Turbina może być stosowana do napędu generatorów prądu elektrycznego lub innych zastosowań, gdzie wykorzystywany jest moment obrotowy.

Znane są turbiny wiatrowe o osi pionowej posiadające wirnik składający się z łopat, ramion i wału osadzonego w piaście. Do głównego wału wirnika wspierającego się na łożyskach zamocowane są promieniście w równych odstępach kątowych ramiona. Na końcach ramion w osi równoległej do osi wirnika zamocowane są obrotowo łopaty. Wiele rozwiązań turbin o osi pionowej opartych na zmiennym położeniu łopat względem ramion i kierunku wiatru w zależności od położenia kątowego wirnika ma przewagę nad podobnymi turbinami ze stałym zamocowaniem łopat, lecz rozwiązania te nie zapewniają względnego kąta natarcia łopat zależnego od prędkości obrotowej wirnika, siły i kierunku wiatru oraz stopnia obciążenia turbiny.

Z opisu polskiego wynalazku PL 216244B1 znany jest wirnik turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, posiadający połączone z piastą co najmniej dwa poziome wsporniki, na których końcach zamocowane są łopaty napędowe, sztywno połączone w strefie środkowej ich wysokości do końców wsporników, oraz których skrzydło górne i skrzydło dolne łopaty odgięte są od strefy środkowej promieniowo na zewnątrz pod kątem względem osi obrotu wirnika, ponadto w którym przekroje poprzeczne skrzydeł mają symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców długościach cięciwy i grubości profilu, dwie łopaty rozstawione są w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika pod kątem 180°.

W opisie polskiego wynalazku oznaczonego numerem P. 389201 pokazany jest silnik wiatrowy o pionowej osi wirnika posiadający ramiona, w których znajdują się pionowo ułożyskowane sztywne płaty odchylające się od prostej, prostopadłej do ramion o kąt ok. 30° po jednej i drugiej stronie tej prostej. Silnik wiatrowy posiada łopaty rozstawione symetrycznie względem osi obrotu wirnika.

Z amerykańskiego zgłoszenia wynalazku nr US 2010 054 936 znana jest turbina wiatrowa o pionowej osi składająca się z obrotowego wału i jednego lub więcej ramion sprzężonych z wałem, przy czym do końców ramion przymocowane są łopaty z ruchomą krawędzią spływu, która odchyla się w przeciwnym kierunku do łopaty.

Z polskiego opisu patentowego PL221919B1 znana jest turbina o osi pionowej zawierająca wał z osadzonymi równoległymi do siebie parami ramion usytuowanymi w równych odstępach kątowych, na końcach których zamocowane są wahliwie pionowe łopaty.

Z opisu polskiego wzoru użytkowego W 123735 znana jest turbina, która ma wał łożyskowany w oprawie osadzonej na górnym końcu masztu, którego dolny koniec utwierdzony jest w bloku fundamentowym. Wirnik posiada połączone z piastą poziome pylony, rozstawione symetrycznie na obwodzie i zamocowane na ich końcach łopaty napędowe z odgiętymi na zewnątrz skrzydłem górnym i dolnym. Maszt turbiny ma konstrukcję przestrzenno-kratową o kształcie wyznaczonym belkami słupowymi w postaci smukłego, foremnego ostrosłupa ściętego o podstawie sześciokąta prawidłowego.

Z opisu międzynarodowego zgłoszenia wynalazku WO 2011/131923 znane jest rozwiązanie turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu posiadającej jedną łopatę osadzoną w piaście na osi i posiadającą przeciwwagę po przeciwnej stronie osi obrotu łopaty.

Z opisu chińskiego wzoru użytkowego CN202040023 znana jest elektrownia wiatrowa zawierająca łopaty, które charakteryzują się kształtem dwóch lub więcej sekcji zewnętrznych części pustego korpusu pierścieniowego, przy czym każda łopata zawiera górną krawędź, dolną krawędź, wewnętrzną część czołową i zewnętrzną część czołową. Łopaty są obrotowo przymocowane do wózka, wózek jest obrotowo przymocowany do korpusu nośnego, korpus łożyska jest umieszczony na stałej osi, pręt łączący jest obrócony do łopaty na jednym końcu, a na drugim końcu jest zam ocowany na zawiasach i przymocowywany do sąsiedniej łopaty za pomocą dźwigni zaopatrzonej w cylinder, a łopata jest zawiasowo połączona z wózkiem dźwignią w kształcie litery L zaopatrzoną w przeciwwagę. Zaletą elektrowni wiatrowej jest brak znaczenia wzrostu wykorzystania energii wiatru oraz kierunku i prędkości wiatru, a także poprawa niezawodności podczas silnego wiatru. W znanych rozwiązaniach turbin o osi pionowej przy dwóch zamocowanych do piast łopatach ich rozstawienie kątowe jest symetryczne, co oznacza, że dwie łopaty są rozstawione kątowo o 180°. Takie stan powoduje wahania obciążenia i przerywany, pulsujący ciąg oraz niekorzystne obciążenie momentem obrotowym całej konstrukcji.

PL 231 149 B1

Celem wynalazku jest zapewnienie nowego wirnika turbiny wiatrowej o udoskonalonej konstrukcji, co wpływa na udoskonalenie trwałości zmęczeniowej konstrukcji oraz jej bezpieczeństwo. Cel ten osiągnięto poprzez nowatorskie rozwiązanie z ustawieniem dwóch łopat pod kątem fazowym (to znaczy pod kątem w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika) innym niż standardowe 180°. Pozwoliło to na zwiększenie bezpiecznej prędkości obwodowej wirnika, a tym samym zwiększenie mocy turbiny.

Według wynalazku, turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, osadzona na maszcie, posiadająca wirnik z wałem umieszczonym w piaście i łopatami połączonymi z wałem ramionami w węzłach łączących oraz mechanizm ograniczająco-zabezpieczający, charakteryzuje się tym, że wirnik ma dwie pionowe wydłużone łopaty równoległe do osi wirnika rozmieszczone tak, że w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika tworzą z wirnikiem jako jego wierzchołkiem, kąt a mniejszy od 180°, przy czym pomiędzy łopatami od strony kąta rozwartego, dopełniającego kąt a, wirnik zaopatrzony jest w przeciwwagę umieszczoną symetrycznie pomiędzy łopatami.

Korzystnie jest, kiedy łopaty rozmieszczone są w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika pod kątem 90°.

Korzystnie jest też, kiedy maszt stanowi wieża kratownicowa.

Korzystnie jest również, kiedy łopaty wirnika połączone są z piastą ściągami, zwiększającymi sztywność, które stanowią stalowe pręty.

Korzystnie jest także, kiedy przeciwwaga wyposażona jest w hamulec aerodynamiczny.

Jest korzystnie, kiedy hamulec aerodynamiczny, wyprowadzany z przeciwwagi (7) w postaci powierzchni oporowej przy nadmiernej prędkości obrotowej wirnika (3), jest aktywowany w warunkach nieprawidłowego działania turbiny wiatrowej.

Jest też korzystnie, kiedy turbina wyposażona jest w hamulec mechaniczny.

Korzystniej turbina wyposażona jest w hamulec mechaniczny, który stanowi hydrauliczny hamulec tarczowy umieszczony na osi piasty.

Jest również korzystnie, kiedy w osi piasty turbina wiatrowa połączona jest z generatorem prądu.

Jest także korzystnie, kiedy turbina zaopatrzona jest w masowy tłumik drgań umieszczony na osi piasty.

Wynalazek pokazano w przykładzie realizacji na rysunku, na którym fig. 1 ukazuje turbinę wiatrową w widoku perspektywicznym z boku, fig. 2 ukazuje wirnik turbiny w widoku z boku tak, że łopaty leżą w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny rysunku, a fig. 3 ukazuje schematycznie wirnik w widoku z góry.

Jak pokazano na fig. 1 turbina wiatrowa 1 o pionowej osi obrotu przeznaczona do zamiany energii przepływającego czynnika gazowego, takiego jak wiatr, na energię mechaniczną uzyskiwaną w postaci ruchu obrotowego, zbudowana jest z wirnika 3 umieszczonego na maszcie 2.

Wirnik 3 jest zbudowany z dwóch ramion 6 osadzonych w piaście 5, w której osadzony jest obrotowo w łożyskach na wale (nie pokazano). Do ramion 6 wirnika 3 zamocowane są dwie łopaty 5, które dla wzmocnienia konstrukcji połączone są dodatkowo z piastą 4 ściągami 8. Ściągi 8 zwiększają sztywność całej konstrukcji. Taki sam rezultat można osiągnąć innym rozmiarem ramion, ale byłoby to bardziej kosztowne. Ściągi 8 reagują tylko na naprężenia rozciągające i nie rozkładają sił ściskających ani łamiących. Składają się z cienkiego pręta ze stopów stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie.

Ramiona 6 ponoszą siły działające na łopaty 5, które obejmują siły aerodynamiczne, odśrodkowe, ciężkości i bezwładności. Wykonane są ze stali spawanej i nie wymagają szczególnego rozwoju. Schemat statyczny konstrukcji został zoptymalizowany, aby zmniejszyć ciężar własny i koszty.

Łopaty 5 rozłożone są kątowo w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wirnika 3 pod kątem 90°, co znacząco zmniejsza wahania obciążenia i zapewnia trwalszy ciąg i obciążenie momentem obrotowym. Pomiędzy łopatami 5 wirnika 3, od strony kąta rozwartego, do piasty 4 zamocowana jest przeciwwaga 7, jak to pokazano na fig. 1, fig. 2 i fig. 3. Przeciwwaga 7 obraca się w piaście 4 razem z ramionami 5 i równoważy siły jakie działają na konstrukcję turbiny 1 w związku z obrotem łopat 5 wirnika 3 w piaście 4.

Wartość ciężaru przeciwwagi 7 i jego rozmieszczenie (odległość kątowa od środka obrotu) została skalibrowana w funkcji ostatecznej konfiguracji łopat 5 (materiał, ciężar i pozycja).

Dodatkową funkcją przeciwwagi 7 jest działanie jako hamulec aerodynamiczny 9 w przypadku awarii w jaki wyposażona jest przeciwwaga 7 w tym przykładzie realizacji wynalazku. Turbiny wiatrowe przeważnie pracują w obrębie precyzyjnego przedziału prędkości wiatru - pomiędzy prędkością wiatru włączenia i wyłączenia. Gdy zostanie osiągnięta granica wyłączenia, turbina musi zatrzymać się, co powoduje aktywowanie zwykłego hamulca mechanicznego 10 w jaki wyposażona jest turbina wiatrowa 1,

PL 231 149 B1 w tym przykładzie realizacji wynalazku jest to hydrauliczny hamulec tarczowy. W przypadku awarii głównego układu hamulcowego wirnik obraca się poza kontrolą. Dlatego bardzo ważną kwestią jest układ hamulcowy bezpieczeństwa (aerodynamicznego), który działa przy określonych prędkościach obrotowych.

Oczywiście w innych przykładach realizacji łopaty 5 mogą być rozstawione pod innych kątem niż 90° a optymalny dla danej konstrukcji kąt będzie zależał od wymiarów turbiny, mas poszczególnych elementów i tym podobne. I tak kąt ten może wynosić na przykład 82°.

Maszt 2 turbiny wiatrowej 1 stanowi wieża kratownicowa. Wieże kratownicowe w porównaniu do tradycyjnych masztów z jednym słupem mogą zagwarantować większą sztywność i mniejszy ciężar. W przypadku turbin wiatrowych 1 o poziomej osi obrotu, jak w przypadku pokazanego na rysunku przykładu realizacji wynalazku, zaleca się unikanie problemów z rezonansem masztu 2, zapewniając, że zakres roboczy turbiny 1 (w odniesieniu do maksymalnej prędkości obrotowej) jest poniżej pierwszej naturalnej częstotliwości masztu. Z tej perspektywy wieża kratownicowa została zaprojektowana przy uwzględnieniu cech turbiny wiatrowej 1, która zostanie na niej umieszczona.

Wał wirnika 3 wychodzący z piasty połączony jest z generatorem prądu 11, co pokazano na fig. 1 i fig. 2. W innych zastosowaniach energia mechaniczna ruchu obrotowego uzyskana z energii wiatru może być wykorzystana inaczej, na przykład do napędu pompy wodnej lub innych zastosowań.

Generator prądu 11 jest to generator specjalnie dopasowany do turbiny. Jedną z głównych cech generatorów opracowanych dla turbin wiatrowych jest wysoka wydajność zasilania, którą uzyskuje się przez zmniejszenie do minimum momentu zaczepowego i rozpraszania energii w ciepło, energia elektryczna jest przekazywana do wykorzystania przez falownik sieciowy lub falownik pozasieciowy.

Falownik sieciowy to falownik energii typu „back to back”, który zarządza poborem energii generatora i wysyłaniem jej do lokalnej sieci energetycznej (konwersja AC-DC-AC).

Falownik pozasieciowy to falownik, który umożliwia integrację systemów składujących i generatora zapasowego do systemów wolnostojących, tworzących sieć energetyczną.

Na rynku występują różne falowniki sieciowe i pozasieciowe, ale należy koniecznie umieścić je w systemie turbiny wiatrowej 1 za pomocą dedykowanego interfejsu.

Dla zapewnienia bardziej równomiernej pracy turbiny wiatrowej 1 na osi piasty 4 umieszczony jest tłumik drgań 12 typu masowego. Masowy tłumik drgań 12 służy do zabezpieczenia przed nadmiernymi drganiami szczytu masztu 2 w postaci wieży kratownicowej, gdy turbina wiatrowa 1 wzbudza jedną ze swoich naturalnych częstotliwości. System jest zwymiarowany i skalibrowany, aby działał odpowiednio dla tego typu turbiny wiatrowej 1 i masztu 2 w postaci wieży kratownicowej.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Turbina wiatrowa 1 o pionowej osi obrotu, osadzona na maszcie 2, posiadająca wirnik 3 z wałem umieszczonym w piaście 4 i łopatami 5 połączonymi z wałem ramionami 6 w węzłach łączących oraz mechanizm ograniczająco-zabezpieczający, znamienna tym, że wirnik (3) ma dwie pionowe wydłużone łopaty (5) równoległe do osi wirnika (3) rozmieszczone tak, że w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika (3) tworzą z wirnikiem (3) jako jego wierzchołkiem, kąt a mniejszy od 180°, przy czym pomiędzy łopatami (5) od strony kąta rozwartego, dopełniającego kąt a, wirnik (3) zaopatrzony jest w przeciwwagę (7) umieszczoną symetrycznie pomiędzy łopatami (5).
2. 2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (5) rozmieszczone są w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika (3) pod kątem 90°.
3. 3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że maszt (2) stanowi wieża kratownicowa.
4. 4. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (5) wirnika (3) połączone są z piastą (4) ściągami (8), zwiększającymi sztywność, które stanowią stalowe pręty.
5. 5. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że przeciwwaga (7) wyposażona jest w hamulec aerodynamiczny (9) zmieniający kąt natarcia łopat (5) przy określonej prędkości obrotowej wirnika (3).
6. 6. Turbina według zastrz. 5, znamienna tym, że hamulec aerodynamiczny (9) jest aktywowany w warunkach nieprawidłowego działania turbiny wiatrowej (1).
7. 7. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wyposażona jest w hamulec mechaniczny (10).

   PL231 149 Β1
8. 8. Turbina według zastrz. 7, znamienna tym, że w hamulec mechaniczny (10) stanowi hydrauliczny hamulec tarczowy umieszczony na osi piasty (4).
9. 9. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że w osi piasty (4) turbina wiatrowa (1) połączona jest z generatorem prądu (11).
10. 10. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że zaopatrzona jest w masowy tłumik drgań (12) umieszczony na osi piasty (4).