PL244857B1 - Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu przeznaczona do współpracy z urządzeniami do wytwarzania prądu. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, zawiera wirnik osadzony trwale na obrotowej osi ułożyskowanej w obudowie, którą stanowi tarcza górna i dolna połączone na zewnątrz wirnika łącznikami oraz kierownicami, które mają postać skręconych śrubowo płatów o kształcie łuków. Turbina charakteryzuje się tym, że kierownice turbiny i łopaty wirnika są utworzone z segmentów (8, 9, 10) płyt wzmocnionych jednostronnie żebrami i połączonych ze sobą żebrami ku sobie, zaś przeciwne powierzchnie są gładkie, natomiast poszczególne segmenty (8, 9, 10) są ze sobą połączone systemem „pióro — wpust”. Utworzone z segmentów płyt kierownice turbiny i łopaty wirnika są utworzone z trzech rodzajów segmentów: napływowego (8), środkowego (9) i wypływowego (10).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu przeznaczona do współpracy z urządzeniami do wytwarzania prądu.

Znana jest turbina wiatrowa przedstawiona w opisie patentowym PL 226941 B1. Turbina ta posiada cylindryczny, wyposażony w łopaty, wirnik osadzony trwale na pionowej, obrotowej osi ułożyskowanej w obudowie. Obudowę stanowią tarcza górna i tarcza dolna połączone na zewnątrz wirnika nieruchomymi łopatami. Łopaty zewnętrzne mają postać śrubowo skręconych płatów o przekroju poprzecznym w kształcie łuku. Łopaty wirnika mają kształt łuku wygiętego w stronę przeciwną do wygięcia łopat zewnętrznych. Promień łuku wygięcia łopaty zewnętrznej jest 2,5-3,0 razy większy od promienia wygięcia łopaty wirnika.

Znana jest także wiatrowa turbina o pionowej osi przedstawiona w opisie patentowym US 10,648,452. Turbina ta zawiera:

zespół wirnika zamocowany na pionowej osi, w którym każdy indywidualny wirnikowy blok jest połączony w zespół za pomocą śrub, wał, którego koniec jest zamocowany w najwyżej położonym bloku wirnika do jego kołnierza za pomocą śrub, rurę stanowiącą zespół bloku wirnika, w którym rura utrzymuje kołnierz wału i rozciąga się od góry bloku wirnika do spodu dolnego bloku wirnika, korpus, którego podstawa jest posadowiona na pierścieniowym fundamencie za pomocą fundamentowych śrub, obrotową kolumnę zainstalowaną w centrum korpusu i zamocowaną na łożyskowej podporze.

Opis rozwiązania ujawnionego w PL 231450 B1 przedstawia wirnik turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu zawierającej wirnik osadzony trwale na obrotowej osi, którego korpus składa się z podstawy, do której przymocowany jest trzpień, na którym osadzone są dzielone moduły zbudowane z trzech identycznych kształtowych łopatek, pomiędzy którymi znajdują się łączniki. Zewnętrzną powierzchnię łopatki stanowi cylindryczna powierzchnia o promieniu większym od promienia wewnętrznej części cylindrycznej powierzchni łopatki. Moduły są zwielokrotniane pionowo, zaś z góry i z dołu każdej łopatki znajduje się kształtowe wgłębienie na łącznik oraz montażowe otwory na kołki.

Z kolei opis wynalazku PL 226941 B1 ujawnia turbinę wiatrową posiadającą cylindryczny, wyposażony w łopaty wirnik osadzony trwale na pionowej, obrotowej osi ułożyskowanej w obudowie, którą stanowią tarcze górna i dolna, połączone na zewnątrz wirnika nieruchomymi łopatami zewnętrznymi. Łopaty kierownicy mają postać śrubowo skręconych płatów, a łopaty wirnika mają przekrój poprzeczny w kształcie łuku wygiętego w stronę przeciwną do wygięcia śrubowo skręconych łopat kierownicy. Ściśle określona jest zależność promienia łuku wygięcia łopaty kierownicy od promienia łuku wygięcia łopaty wirnika oraz długości średnicy okręgu poprowadzonego po zewnętrznych końcach łopat kierownicy od długości średnicy okręgu przechodzącego przez zewnętrzne końce łopat wirnika turbiny.

Celem wynalazku było opracowanie takiej konstrukcji kierownicy i łopaty wirnika turbiny, aby ich elementy składowe były zunifikowane i mogły być zwielokrotniane w zależności od oczekiwanej wielkości turbiny.

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, według wynalazku, zawierająca wirnik osadzony trwale na obrotowym wale ułożyskowanym w obudowie, którą stanowi tarcza górna i tarcza dolna połączone na zewnątrz wirnika łącznikami oraz kierownicami, które mają postać skręconych śrubowo płatów o kształcie łuków, charakteryzuje się tym, że kierownice turbiny i łopaty wirnika są utworzone z sekcji pionowych zbudowanych z trzech rodzajów segmentów: segmentu zewnętrznego znajdującego się najdalej od wału wirnika, segmentu wewnętrznego znajdującego się najbliżej wału wirnika oraz segmentu środkowego znajdującego się pomiędzy nimi. Segmenty te utworzone są z płyt wewnętrznych oraz płyt zewnętrznych, każda wzmocniona jest jednostronnie poziomymi żebrami. Płyta wewnętrzna połączona jest z płytą zewnętrzną tak, że żebro na skraju płyty wewnętrznej znajduje się naprzeciw żebra na skraju płyty zewnętrznej, zaś ich przeciwne powierzchnie są gładkie. Poszczególne segmenty w sekcjach pionowych są ze sobą połączone systemem „pióro-wpust”, które to połączenie dodatkowo zablokowane jest śrubą z nakrętką.

Korzystnie jest, gdy kierownice turbiny są utworzone z segmentu zewnętrznego, dwu segmentów środkowych i segmentu wewnętrznego.

Korzystnie również jest, gdy system „pióro-wpust” połączenia segmentów jest utworzony z wypustek segmentów dwu połączonych ze sobą płyty wewnętrznej oraz płyty zewnętrznej, które to wypustki są osadzone we wnęce sąsiedniego segmentu.

Korzystnie także jest, gdy promień krzywizny segmentu zewnętrznego od strony wklęsłej, to jest tej, od której napiera wiatr, jest mniejszy niż promień krzywizny segmentu środkowego od strony wklęsłej, który z kolei jest mniejszy niż promień krzywizny segmentu wewnętrznego od strony wklęsłej.

Korzystnie również jest, gdy segmenty zewnętrzne kierownicy turbiny i łopaty wirnika mają miejscowo zwiększoną grubość od strony wlotu powietrza.

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, według wynalazku, charakteryzuje się prostą budową i jednocześnie dużą funkcjonalnością. Budowa turbiny, a w szczególności jej kierownic i łopat, pozwala na wytworzenie jej z tworzywa sztucznego o bardzo małym ciężarze właściwym, przez co poszczególne segmenty turbiny mogą być przewożone i przenoszone przy użyciu prostego sprzętu. Dzięki temu, że poszczególne segmenty kierownic i łopat są takie same, zestawianie łopat i kierownic będzie zunifikowane. Ze względu na to, że turbina musi być usytuowana na dużej wysokości, jej montowanie może być wykonane na dużej wysokości bez użycia specjalistycznego sprzętu, takiego jak dźwigi. Jednocześnie powoduje to, iż mała waga wirnika pozwala na szybkie uruchamianie go nawet pod wpływem niewielkiego podmuchu wiatru. Szczególny kształt kierownic powoduje korzystny napływ wiatru na łopaty turbiny, bez niekorzystnych zawirowań i turbulencji. Wykonanie łopat i kierownic z tworzywa sztucznego powoduje całkowitą ich odporność na warunki atmosferyczne, przez co ich żywotność będzie znacznie większa od dotychczasowych. Ponadto taka budowa turbiny pozwala na swobodny dobór jej mocy poprzez dobór liczby płatów kierownicy i łopat turbiny. Jedynym elementem, który wymaga wymiany, to metalowy trzpień, którego długość należy dostosować do liczby sekcji pionowych.

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, według wynalazku jest bliżej objaśniona w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia turbinę w widoku aksonometrycznym, fig. 2 pokazuje budowę turbiny w widoku z góry po zdjęciu górnej pokrywy, fig. 3 ukazuje, w powiększeniu, fragment widoku z fig. 2, gdzie widoczny jest wał z zamocowanymi łopatami wirnika, fig. 4 przedstawia przykładową pojedynczą łopatę wirnika w widoku bocznym, fig. 5 ukazuje połączenie segmentów kierownic lub łopat turbiny, fig. 6 jest widokiem z góry na łopatę wirnika z pominięciem łączącej metalowej płyty. Fig. 7 jest widokiem z góry na kierownicę turbiny z pominięciem łączącej metalowej płyty. Fig. 8 ukazuje złącze przeciwległych płyt zarówno łopat wirnika jak też kierownic turbiny, fig. 9 przedstawia połączenie wszystkich warstw płyt zarówno łopat wirnika jak też kierownic turbiny, fig. 10 ukazuje szczegół połączenia z fig. 9. Fig. 11 oraz fig. 12 przedstawiają przykład przylegających do siebie wewnętrznych segmentów kierownicy lub łopaty utworzonej z dwu warstw. Fig. 13 oraz fig. 14 przedstawiają przykład przylegających do siebie zewnętrznych segmentów kierownicy łub łopaty utworzonej z dwu warstw. Fig. 15 oraz fig. 16 przedstawiają przykład przylegających do siebie środkowych segmentów kierownicy lub łopaty utworzonej z dwu warstw, przy czym szczegół „B” widoczny na fig. 11 b, przedstawiający gniazdo na śrubę wzmacniającą połączenie „pióro- wpust”, jest wspólny dla fig. 11 do 16.

Jak przedstawiono na fig. 1 do fig. 16 turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, według wynalazku, zawiera wirnik 1 osadzony trwale na obrotowym pionowym wale 2 o pionowej osi obrotu. Wał 2 jest ułożyskowany w obudowie, którą stanowi tarcza górna 3 i dolna 4 połączone na zewnątrz wirnika 1 łącznikami 5 oraz kierownicami 6. Kierownice 6 mają postać skręconych śrubowo płatów o kształcie łuków. Turbina charakteryzuje się tym, że kierownice 6 turbiny i łopaty 7 wirnika 1 są utworzone z segmentów: segmentu zewnętrznego 8, segmentu środkowego 9 i segmentu wewnętrznego 10. Każdy segment zewnętrzny 8 jest utworzony z płyty wewnętrznej 11 oraz płyty zewnętrznej 12, wzmocnionych jednostronnie żebrami 13 i połączonych ze sobą żebrami 13 ku sobie. Połączenie płyt 11 i 12 przedstawiono na fig. 8. Przeciwne powierzchnie segmentów są gładkie.

Podobnie każdy segment zewnętrzny 10 jest utworzony z płyty wewnętrznej 22 oraz płyty zewnętrznej 23, wzmocnionych jednostronnie żebrami 24 i połączonych ze sobą żebrami 24 i połączonych ze sobą żebrami 24 ku sobie.

Analogicznie, każdy segment środkowy 9 jest utworzony z płyty wewnętrznej 25 oraz płyty zewnętrznej 26, wzmocnionych jednostronnie żebrami 27 i połączonych ze sobą żebrami 27 ku sobie.

Poszczególne segmenty 8, 9, i 10 są ze sobą połączone systemem „pióro-wpust”. System połączenia segmentów 8 z 9 i 9 z 10 polega na tym, że tworzące „pióra” pary wypustek 14 i 15 segmentu zewnętrznego dwu połączonych ze sobą płyt 11 i 12 oraz wypustek 28 i 29 segmentu środkowego dwu połączonych ze sobą płyt 25 i 26, są osadzone we „wpustach” sąsiednich segmentów, odpowiednio: środkowego 9 i wewnętrznego 10.

W jednym z wariantów wynalazku możliwe jest, że kierownice 6 turbiny albo łopaty 7 wirnika 1 zawierają po dwa segmenty środkowe 9. Wówczas w systemie łączenia segmentów we „wpuście” pierwszego segmenty środkowego 9 osadzone są wypustki 28 i 29 drugiego segmentu środkowego 9, tworzące „pióro”. Widok łopaty z góry zawierającej dwa segmenty środkowe 9 uwidoczniono na fig. 7.

„Wpust” segmentu środkowego 9 wraz z umieszczonymi w nim wypustkami 14 i 15 segmentu zewnętrznego, stanowi system „pióro-wpust” połączony złączem śrubowym 19 obejmującym wszystkie elementy, co przedstawiono na fig. 5. Adekwatnie, „wpust” drugiego segmentu środkowego 9, jeśli taki występuje albo segmentu wewnętrznego 10 wraz z umieszczonymi w nim wypustkami 28, 29 segmentu środkowego, stanowi system „pióro-wpust” połączony złączem śrubowym 19 obejmującym wszystkie elementy. Zestawienie segmentów 8, 9 i 10 tworzy jedną sekcję pionową 30 kierownicy 6 lub łopaty 7, natomiast kierownica 6 lub łopata 7 jest utworzona z wielu sekcji pionowych 30 połączonych ze sobą i przymocowanych do metalowych płyt 16, co przedstawiono na fig. 4 oraz na fig. 9. Połączenie to jest dokładniej przedstawione na fig. 10, gdzie metalowy trzpień 17 jest zakończony gwintowanym otworem, w którym zamocowana jest śruba 18 mocująca zestaw sekcji pionowych 30 do metalowej płyty 16. Zarówno kierownice 6 turbiny i łopaty 7 wirnika mogą zawierać po trzy sekcje pionowe 30 jak też mogą zawierać po pięć sekcji pionowych 30, co przedstawiono na fig. 4, jak też mogą zawierać dowolną liczbę płatów sekcji pionowych 30, co uwidoczniono na fig. 9. Istotnym jest, aby kierownice 6 turbiny i łopaty 7 wirnika zawierały tę samą liczbę sekcji pionowych 30. Dlatego też ten system budowy turbiny pozwala na dowolny dobór mocy turbiny. Połączenie płyt 11 i 12 przedstawiono na fig. 8, gdzie elementem łączącym jest śruba 20 zabezpieczona nakrętką 21, co jest połączeniem przykładowym, bowiem elementy te mogą być połączone dowolnym elementem łączącym. Tak samo połączone są ze sobą płyty 22 i 23 wzmocnione żebrami 24 przedstawione na fig. 13 i 14, przy czym fig. 13 składa się z trzech rzutów:

a - widok płyty od strony użebrowania, b - widok z boku i c - widok z góry.

Podobnie fig. 14 składa się z trzech rzutów: a - widok płyty z góry, b - widok z boku i c - widok płyty od strony użebrowania.

Taki sam układ jest na fig. 11 i fig. 12, oraz na fig. 15 i fig. 16.

Montaż turbiny przebiega następująco. Usytuowuje się poszczególne zestawy płyt, będących segmentami: płyty 11 i 12 żebrami 13 ku sobie, płyty 25 i 26 żebrami 27 ku sobie i płyty 22 i 23 żebrami 24 ku sobie. Poszczególne zestawy płyt łączy się według złącza przedstawionego na fig. 8. Po wykonaniu wszystkich złączy poszczególne zestawy łączy się ze sobą według złącza przestawionego na fig. 5, przy czym do wytworzenia kierownicy 6 używa się dwu środkowych segmentów 9, jak to przedstawiono na fig. 7, zaś do wytworzenia łopaty 7 używa się jednego środkowego segmentu 9, jak to przedstawiono na fig. 6. Tak utworzone sekcje pionowe 30 zestawia się w pionie i łączy z metalowymi płytami 16 przy pomocy trzpieni 17 i śrub 18, jak to przedstawiono na fig. 9 i fig. 10. W ten sposób wytworzona zostaje zarówno łopata 7 wirnika jak też kierownica 6 turbiny. Z tak wytworzonych elementów, których waga jest niewielka i które łatwo transportuje się na dużą wysokość w znany sposób montuje się turbinę.

Wykaz oznaczeń:

1. wirnik

2. wał

3. tarcza górna

4. tarcza dolna

5. łącznik

6. kierownica

7. łopata

8. segment zewnętrzny

8a. strona wklęsła segmentu zewnętrznego

9. segment środkowy

9a. strona wklęsła segmentu środkowego

10. segment wewnętrzny

10a. strona wklęsła segmentu wewnętrznego

11. płyta

12. płyta

13. żebra

14. wypustka systemu „pióro-wpust” segmentu zewnętrznego

15. wypustka systemu „pióro-wpust” segmentu zewnętrznego

16. metalowa płyta

17. trzpień

18. śruba

19. złącze śrubowe

20. śruba

21. nakrętka

22. płyta

23. płyta

24. żebro

25. płyta

26. płyta

27. żebro

28. wypustka systemu „pióro-wpust” segmentu środkowego

29. wypustka systemu „pióro-wpust” systemu środkowego

30. sekcja pionowa

Claims (5)

1. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu zawierająca wirnik (1) osadzony trwale na obrotowym wale (2) ułożyskowanym w obudowie, którą stanowi tarcza górna (3) i tarcza dolna (4) połączone na zewnątrz wirnika (1) łącznikami (5) oraz kierownicami (6), które mają postać skręconych śrubowo płatów o kształcie łuków, znamienna tym, że kierownice (6) turbiny i łopaty (7) wirnika (1) są utworzone z sekcji pionowych (30) zbudowanych z trzech rodzajów segmentów: segmentu zewnętrznego (8) znajdującego się najdalej od wału (2) wirnika (1), segmentu wewnętrznego (10) znajdującego się najbliżej od wału (2) wirnika (1) oraz segmentu środkowego (9) znajdującego się pomiędzy nimi, które to segmenty (8, 9, 10) utworzone są z płyt wewnętrznych (11, 22, 25) oraz płyt zewnętrznych (12, 23, 26), wzmocnionych jednostronnie poziomymi żebrami (13, 24, 27) i połączonych ze sobą tak, że żebro na skraju jednej płyty wewnętrznej (11, 22, 25) znajduje się naprzeciw żebra na skraju jednej płyty zewnętrznej (12, 23, 26), zaś przeciwne powierzchnie są gładkie, natomiast poszczególne segmenty (8, 9, 10) w sekcjach pionowych (30) są ze sobą połączone systemem „pióro-wpust”, które to połączenie dodatkowo zablokowane jest śrubą (20) z nakrętką (21).

2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że kierownice (6) turbiny są utworzone z segmentu zewnętrznego (8), dwu segmentów środkowych (9) i segmentu wewnętrznego (10).

3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że system „pióro-wpust” połączenia segmentów (8, 9, 10) jest utworzony z wypustek (14, 15) segmentu zewnętrznego, z wypustek (28, 29) segmentu środkowego, dwu połączonych ze sobą: płyty wewnętrznej (22, 25) oraz płyty zewnętrznej (23, 26), które to wypustki (14, 15) segmentu zewnętrznego, wypustki (28, 29) segmentu środkowego są osadzone we wnęce sąsiedniego segmentu.

4. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że promień krzywizny segmentu zewnętrznego (8) od strony wklęsłej (8a), to jest tej, od której napiera wiatr, jest mniejszy niż promień krzywizny segmentu środkowego (9) od strony wklęsłej (9a), który z kolei jest mniejszy niż promień krzywizny segmentu wewnętrznego (10) od strony wklęsłej (10a).

5. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że segmenty zewnętrzne (8) kierownicy (6) turbiny i łopaty (7) wirnika mają miejscowo zwiększoną grubość od strony wlotu powietrza.