PL248262B1 - Turbina wiatrowa dwuwirnikowa kątowa - Google Patents

Abstract

Turbina wiatrowa dwuwirnikowa, posiadająca wał z osadzonymi na nim obrotowo piastą dolną i piastą górną (3), do których zamocowane są łopaty (2.1, 2.2, 2.3, 2.4), (3.1, 3.2, 3.3, 3.4). Charakteryzuje się ona tym, że do piasty dolnej w jej osi obrotu zamocowany jest obrotowo pierwszy koniec łącznika kątowego (4) o przekroju kołowym, którego osie są ułożone względem siebie pod rozwartym kątem α, który jest większy od 120° i mniejszy od 180°. Na drugim końcu łącznika kątowego (4) osadzona jest obrotowo górna piasta (3). Górna piasta (3) posiada na swoim dolnej podstawie uzębienie przekładni kątowej sprzężone z uzębieniem przekładni kątowej znajdującym się na dolnej piaście tudzież osie par łopat (2.1, 3.1), (2.2, 3.2), (2.3, 3.3), (2.4, 3.4) w widoku z góry rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym β. Korzystnie do górnego końca łącznika kątowego (4) zamocowany jest ster kierunkowy (5), który jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa dwuwirnikowa kątowa.

Z opisu zgłoszenia patentowego US2010194112A1 znana jest turbina o osi pionowej, która ma dwa wirniki zamontowane wokół osi, obracające się w przeciwnych kierunkach. Pomiędzy wirnikami umieszczony jest generator energii elektrycznej wytwarzanej na skutek obrotu wirników, tak że jeden wirnik jest lustrzanym odbiciem drugiego wirnika.

Znana jest również z artykułu Numerical Investigation of the Structural Behavior of an Innovative Offshore Floating Darrieus-Type Wind Turbines with Three-Stage Rotors dostępnego na stronie internetowej https://www.mdpi.eom/2504-477X/6/6/167/htm pływająca trzywirnikowa turbina wiatrowa o osi pionowej przeznaczona do eksploatacji na powierzchni morza. Jest to turbina Darrieusa z prostymi łopatami. Kolejne trzy wirniki nie są ze sobą sprzęgnięte i obracają się niezależnie w przeciwnych kierunkach.

W opisie zgłoszenia patentowego FR2973843A1 została ujawniona turbina wiatrowa dwuwirnikowa, która posiada sztywną i lekką wieżyczkę do podtrzymywania wirników i owiewek wiatrowych, spoczywających na dwóch obrotowych gniazdach kulowych. Gniazda są oddzielone tuleją, która jest umieszczona wokół stałego masztu wzniesionego na podwyższonym pylonie. Wiatrowskaz kontroluje główne położenie wieży w oparciu o kierunek wiatru. Motoreduktory i pneumatyczne koła napędowe służą do unikania wibracji i orientacji wieży. Napęd mechaniczny napędza energię odzyskaną przez łopatki wirników generatora elektrycznego.

Znana jest z opisu patentowego US9752556B1 wielowirnikowa turbina wiatrowa o pionowej osi, która zawiera wiele pionowych wirników wiatrowych zamontowanych obrotowo na ramionach wsporczych, rozciągających się od wierzchołków górnych i dolnych wielokątnych elementów ramy. Górny koniec każdego wirnika jest osadzony w łożysku ślizgowym, a dolna część jest osadzona w łożysku sprzęgła jednokierunkowego. Koło pasowe jest zamontowane na dolnym końcu każdego wirnika. Generator jest umieszczony centralnie pod dolnym elementem ramy i ma obrotowy wał twornika rozciągający się pionowo do góry. Koło pasowe każdego pionowego wirnika jest połączone z wałem twornika za pomocą własnego, oddzielnego pasa bez końca.

Problemem technicznym do rozwiązania jest zmniejszenie niekorzystnej siły oporu łopat turbiny dwuwirnikowej, a przez to zwiększenie generowanego przez nią momentu obrotowego.

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa dwuwirnikowa, posiadająca wał, wirnik dolny oraz wirnik górny. Wirnik dolny składa się z piasty dolnej, do której na sztywno zamocowane są łopaty dolne za pomocą dolnych elementów mocujących. Wirnik górny składa się z piasty górnej, do której na sztywno zamocowane są łopaty górne za pomocą górnych elementów mocujących. Wał jest usytuowany pionowo i poprzecznie do kierunku wiatru. Do wału zamocowana jest piasta dolna oraz - obrotowo, poprzez łącznik kątowy - piasta górna. Kąty pomiędzy sąsiadującymi dolnymi elementami mocującymi łopat dolnych w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty dolnej są takie same. Kąty pomiędzy sąsiadującymi górnymi elementami mocującymi łopat górnych w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty górnej są również takie same.

Istotą wynalazku jest to, że w wale, do piasty dolnej w jej osi obrotu, zamocowany jest obrotowo pierwszy koniec łącznika kątowego w postaci wygiętego pręta o przekroju kołowym. Osie łącznika kątowego są ułożone względem siebie pod rozwartym kątem większym od 120° i mniejszym od 180°. Na drugim końcu łącznika kątowego osadzona jest obrotowo górna piasta. Górna piasta posiada na swojej dolnej podstawie uzębienie przekładni kątowej sprzężone z uzębieniem przekładni kątowej znajdującym się na dolnej piaście. Przełożenie przekładni kątowej wynosi 1:1. Rzuty osi par górnych elementów mocujących oraz rzuty osi par dolnych elementów mocujących na płaszczyznę prostopadłą do osi wału rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym. Każda para składa się z jednej łopaty dolnej i jednej łopaty górnej, których rzutowane osie elementów mocujących znajdują się najbliżej siebie w tej płaszczyźnie. Są one ustawione względem siebie tak, aby podczas obrotu wirników łopaty te nie kolidowały ze sobą, lecz zachodziły częściowo na siebie w sposób umożliwiający przepływ powietrza między nimi.

Korzystnie do górnego końca łącznika kątowego, równolegle do osi wału, zamocowany jest na sztywno powyżej górnej piasty ster kierunkowy. Ster ten jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest to, że podczas obrotu pary łopat dolnych i górnych naprzemiennie odsłaniają się fazie, gdy poruszają się zgodnie z kierunkiem wiatru, a zasłaniają się w fazie, gdy poruszają się przeciwnie do kierunku wiatru. Na skutek tego w pierwszej fazie siła oporu jest większa niż w drugiej fazie. Turbina według wynalazku generuje większy moment obrotowy w porównaniu do turbin dwuwirnikowych o równoległych osiach obrotu wirników.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 - turbina w widoku perspektywicznym z góry i od boku, fig. 2 - turbina w widoku z przodu, fig. 3 - turbina w widoku z boku, fig. 4 - turbina w widoku z góry, fig. 5 - turbina w przekroju wzdłuż linii A-A z fig. 4.

Turbina wiatrowa dwuwirnikowa według wynalazku, przedstawiona na rysunkach, składa się z wału 1 usytuowanego pionowo i poprzecznie do kierunku wiatru 6. Do wału 1 zamocowana jest piasta dolna 2, a obrotowo, poprzez łącznik kątowy 4, zamocowana jest piasta górna 3. Wirnik dolny składa się z piasty dolnej 2, do której na sztywno zamocowane są łopaty dolne 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 za pomocą dolnych elementów mocujących 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, 2.4.1. Wirnik górny składa się z piasty górnej 3, do której również na sztywno zamocowane są łopaty górne 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 przy użyciu górnych elementów mocujących 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1, 3.4.1. Kąty pomiędzy sąsiadującymi dolnymi elementami mocującymi 2.1.1,2.2.1, 2.3.1, 2.4.1 łopat dolnych 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty dolnej 2 wynoszą 90°. Również kąty pomiędzy sąsiadującymi górnymi elementami mocującymi 3.1.1,3.2.1, 3.3.1, 3.4.1 łopat górnych 3.1,3.2, 3.3, 3.4 w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty górnej 3 są równe i wynoszą 90°. Do piasty dolnej 2, w jej osi obrotu, zamocowany jest obrotowo pierwszy koniec łącznika kątowego 4, który ma postać wygiętego pręta o przekroju kołowym. Osie odcinków łącznika kątowego 4 są względem siebie ułożone pod kątem rozwartym α = 165°. Na drugim końcu łącznika kątowego 4 obrotowo osadzona jest piasta górna 3. Na dolnej podstawie piasty górnej 3 znajduje się uzębienie przekładni kątowej sprzężone z uzębieniem przekładni kątowej znajdującym się na piaście dolnej 2. Liczba zębów w piaście dolnej 2 i w piaście górnej 3 wynosi po trzydzieści siedem, co zapewnia przełożenie przekładni kątowej równe 1:1. Rzuty osi par górnych elementów mocujących 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1, 3.4.1 oraz par dolnych elementów mocujących 2.1.1, 2.2.1,2.3.1,2.4.1 na płaszczyznę prostopadłą do osi wału 1 rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym β. Każda para składa się z jednej łopaty dolnej 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 i jednej łopaty górnej 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, których rzutowane osie elementów mocujących znajdują się najbliżej siebie i są ustawione tak, aby łopaty podczas obrotu nie kolidowały, lecz częściowo zachodziły na siebie w sposób umożliwiający przepływ powietrza między nimi. Do górnego końca łącznika kątowego 4, równolegle do osi wału 1, zamocowany jest na sztywno ster kierunkowy 5, znajdujący się powyżej piasty górnej 3. Ster 5 jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru 6.

Działanie turbiny wiatrowej dwuwirnikowej według przedstawionego przykładu polega na tym, że wiatr 6 wprawia w ruch łopaty dolne 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, które obracają się wokół osi wału 1 po okręgu leżącym w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi. Dzięki zastosowaniu łącznika kątowego 4, łopaty górne 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 obracają się po okręgu, którego płaszczyzna jest ustawiona pod kątem α - 90° względem osi wału 1. W pierwszym położeniu roboczym, w którym łopaty dolne 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 i łopaty górne 3.1,3.2, 3.3, 3.4 poruszają się zgodnie z kierunkiem wiatru 6, powierzchnia każdej z łopat górnych 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, patrząc od strony nadchodzącego wiatru, nie pokrywa się z powierzchnią odpowiadającej jej łopaty dolnej 2.1, 2.2, 2.3, 2.4. W tym położeniu przepływ powietrza jest swobodny i wykorzystywany do produkcji energii. W drugim położeniu, gdy łopaty dolne 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 i łopaty górne 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 poruszają się przeciwnie do kierunku wiatru 6, powierzchnia każdej z łopat górnych 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, patrząc od strony wiatru, pokrywa się w większości z powierzchnią odpowiedniej łopaty dolnej 2.1,2.2, 2.3, 2.4. Dzięki temu zmniejszany jest opór i ograniczana strata energii w fazie powrotnej.

Ster kierunkowy 5 ustawia się automatycznie równolegle do kierunku wiatru 6, dzięki czemu cała konstrukcja z łącznikiem kątowym 4 jest odpowiednio ustawiona względem przepływu powietrza. Gwarantuje to optymalne działanie turbiny - zarówno w fazie roboczej, jak i w fazie powrotnej łopat.

Wykaz oznaczeń wał

2.1, 2.2, 2.3, 2.4

2.1.1, 2.2.1, 2.3.1,2.4.1

3.1, 3.2, 3.3, 3.4

3.1.1, 3.2.1, 3.3.1, 3.4.1 α

β piasta dolna łopaty dolne dolne elementy mocujące piasta górna łopaty górne górne elementy mocujące łącznik kątowy ster kierunkowy kierunek wiatru kąt pomiędzy osiami odcinków łącznika kątowego kąt pomiędzy rzutami osi par elementów mocujących

Claims (2)

1. Turbina wiatrowa dwuwirnikowa, posiadająca wał (1), wirnik dolny oraz wirnik górny, z których wirnik dolny składa się z piasty dolnej (2) z zamocowanymi do niej na sztywno za pomocą dolnych elementów mocujących (2.1.1,2.2.1,2.3.1,2.4.1) łopatami dolnymi (2.1,2.2, 2.3, 2.4), a wirnik górny składa się z piasty górnej (3) z zamocowanymi do niej na sztywno za pomocą górnych elementów mocujących (3.1.1, 3.2.1, 3.3.1, 3.4.1) łopatami górnymi (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), przy czym wał (1) usytuowany jest pionowo i poprzecznie do kierunku wiatru oraz do wału (1) zamocowane są piasta dolna (2) i obrotowo, poprzez łącznik kątowy (4), piasta górna (3), zaś kąty pomiędzy sąsiadującymi dolnymi elementami mocującymi (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1,2.4.1) łopat dolnych (2.1,2.2, 2.3, 2.4) w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty dolnej (2) są takie same oraz kąty pomiędzy sąsiadującymi górnymi elementami mocującymi (3.1.1, 3.2.1, 3.3.1,3.4.1) łopat górnych (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty górnej (3) są takie same, znamienna tym, że w wale (1), do piasty dolnej (2) w jej osi obrotu, zamocowany jest obrotowo pierwszy koniec łącznika kątowego (4) w postaci wygiętego pręta o przekroju kołowym, przy czym osie łącznika kątowego (4) są ułożone względem siebie pod rozwartym kątem (α), który jest większy od 120° i mniejszy od 180°, zaś na drugim końcu łącznika kątowego (4) osadzona jest obrotowo górna piasta (3) tudzież górna piasta (3) posiada na swojej dolnej podstawie uzębienie przekładni kątowej sprzężone z uzębieniem przekładni kątowej znajdującym się na dolnej piaście (2), przy czym przełożenie przekładni kątowej wynosi 1:1, natomiast rzuty osi par górnych elementów mocujących (3.1.1, 3.2.1,3.3.1, 3.4.1) oraz rzuty osi par dolnych elementów mocujących (2.1.1,2.2.1,2.3.1,2.4.1) na płaszczyznę prostopadłą do osi wału (1) rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym (β) tudzież każda para składa się z jednej łopaty dolnej (2.1,2.2, 2.3, 2.4) i jednej łopaty górnej (3.1,3.2, 3.3, 3.4), których rzutowane osie elementów mocujących znajdują się najbliżej siebie w tej płaszczyźnie i są ustawione względem siebie tak, aby podczas obrotu wirników łopaty te nie kolidowały ze sobą, lecz zachodziły częściowo na siebie w sposób umożliwiający przepływ powietrza między nimi.

2. Turbina według zastrz. 1 znamienna tym, że do górnego końca łącznika kątowego (4) równolegle do osi wału (1), zamocowany jest na sztywno powyżej górnej piasty (3) ster kierunkowy (5), który jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru (6).