PL248706B1

PL248706B1 - Two-rotor articulated wind turbine

Info

Publication number: PL248706B1
Application number: PL442365A
Authority: PL
Inventors: Konrad Pietrykowski; Paweł Magryta
Original assignee: Lubelska Polt
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2026-01-19
Also published as: PL442365A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest turbina wiatrowa dwuwirnikowa przegubowa, posiadająca wał (1) z osadzonymi na nim obrotowo z piastą dolną (2) i piastą górną (3), do których zamocowane są łopaty (2.1, 2.2, 2.3), (3.1, 3.2, 3.3). Charakteryzuje się ona tym, że do piasty dolnej (2) 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). Piasta górna (3) sprzężona jest z piastą dolną (2) za pomocą przegubu napędowego (5) korzystnie przegub krzyżakowy tudzież osie par łopat (2.1, 3.1), (2.2, 3.2), (2.3, 3.3) w widoku z góry rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym β. Korzystnie do górnego końca łącznika kątowego (4) zamocowany jest ster kierunkowy (6), który jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru (7).The subject of the application is a two-rotor articulated wind turbine having a shaft (1) with a lower hub (2) and an upper hub (3) rotatably mounted thereon, to which blades (2.1, 2.2, 2.3), (3.1, 3.2, 3.3) are attached. It is characterized in that the first end of an angle connector (4) of circular cross-section is rotatably mounted to the lower hub (2) at its rotational axis, the axes of which are arranged relative to each other at an obtuse angle α, which is greater than 120° and less than 180°. At the other end of the angle connector (4), an upper hub (3) is rotatably mounted. The upper hub (3) is coupled to the lower hub (2) by means of a drive joint (5), preferably a universal joint, and the axes of the blade pairs (2.1, 3.1), (2.2, 3.2), (2.3, 3.3) in a top view are arranged relative to each other at an acute angle β. Preferably, a rudder (6) is attached to the upper end of the angle connector (4), which is positioned parallel to the wind direction (7).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa dwuwirnikowa przegubowa.The subject of the invention is a two-rotor articulated wind turbine.

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.Patent application US2010194112A1 describes a vertical-axis turbine with two rotors mounted around an axis, rotating in opposite directions. A generator is placed between the rotors to generate electricity generated by the rotation of the rotors, so that one rotor is a mirror image of the other.

Znana jest również z artykułu Numerical Investigation of the Structural Behavior of an Innovative Offshore Floating Darrieus-Type Wind Turbines with Three-Stage Rotors 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.She is also known for her article "Numerical Investigation of the Structural Behavior of an Innovative Offshore Floating Darrieus-Type Wind Turbines with Three-Stage Rotors," a floating three-rotor vertical-axis wind turbine designed for operation on the sea surface. It is a Darrieus turbine with straight blades. The other three rotors are uncoupled and rotate independently in opposite directions.

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 zasila energia odzyskana przez łopatki wirników generatora elektrycznego.Patent application FR2973843A1 discloses a twin-rotor wind turbine that has a rigid and lightweight tower supporting the rotors and wind deflectors, which rest on two rotating ball sockets. The sockets are separated by a sleeve placed around a fixed mast erected on a raised pylon. A wind vane controls the tower's main position based on wind direction. Geared motors and pneumatic drive wheels are used to avoid vibration and orient the tower. The mechanical drive is powered by energy recovered from the rotor blades of an electric generator.

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.Patent US9752556B1 describes a multi-rotor vertical-axis wind turbine comprising multiple vertical wind rotors pivotally mounted on support arms extending from the top and bottom apexes of polygonal frame members. The top end of each rotor is supported by a journal bearing, and the bottom end is supported by a one-way clutch bearing. A pulley is mounted on the bottom end of each rotor. A generator is centrally located beneath the bottom frame member and has a rotating armature shaft extending vertically upward. The pulley of each vertical rotor is connected to the armature shaft by its own, separate endless belt.

Celem wynalazku jest zwiększenie momentu obrotowego turbin dwuwirnikowych.The aim of the invention is to increase the torque of two-rotor turbines.

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa dwuwirnikowa przegubowa, posiadająca wał, wirnik dolny oraz wirnik górny. Wirnik dolny składa się z piasty dolnej z zamocowanymi do niej na sztywno za pomocą dolnych elementów mocujących, łopat dolnych. Wirnik górny składa się z piasty górnej z zamocowanymi do niej na sztywno za pomocą górnych elementów mocujących, łopat górnych. Wał usytuowany jest pionowo i poprzecznie do kierunku wiatru. Do wału zamocowane są piasta dolna i obrotowo, poprzez łącznik kątowy, piasta górna. Kąty pomiędzy sąsiadującymi dolnymi elementami mocującymi łopaty dolne w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty dolnej są takie same. Kąty pomiędzy sąsiadującymi górnymi elementami mocującymi łopaty górne w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty górnej są takie same.The invention concerns a two-rotor articulated wind turbine with a shaft, a lower rotor, and an upper rotor. The lower rotor consists of a lower hub with lower blades rigidly attached to it via lower mounting elements. The upper rotor consists of an upper hub with upper blades rigidly attached to it via upper mounting elements. The shaft is arranged vertically and transversely to the wind direction. The lower hub and the upper hub are rotatably attached to the shaft via an angle connector. The angles between adjacent lower blade mounting elements in a plane perpendicular to the lower hub's axis of rotation are the same. The angles between adjacent upper blade mounting elements in a plane perpendicular to the upper hub's axis of rotation are the 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 a, który jest większy od 120° i mniejszy od 180°. Na drugim końcu łącznika kątowego osadzona jest obrotowo piasta górna. Piasta górna sprzężona jest z piastą dolną za pomocą przegubu Cardana. 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 β. Każda para składa się z jednej łopaty dolnej i jednej łopaty górnej, 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. Turbina według powyższego opisu może dodatkowo posiadać do górnego końca łącznika kątowego, równolegle do osi wału, zamocowany na sztywno i powyżej górnej piasty ster kierunkowy, który jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru.The essence of the invention is that the first end of an angle connector, in the form of a bent rod with a circular cross-section, is rotatably attached to the lower hub at its axis of rotation in the shaft. The axes of the angle connector are arranged relative to each other at an obtuse angle a, which is greater than 120° and less than 180°. The upper hub is rotatably mounted at the other end of the angle connector. The upper hub is coupled to the lower hub via a universal joint. The projections of the axes of the pairs of upper mounting elements and the projections of the axes of the pairs of lower mounting elements on a plane perpendicular to the shaft axis are arranged relative to each other at an acute angle β. Each pair consists of one lower blade and one upper blade, the projected axes of the mounting elements of which are closest together in this plane and are positioned relative to each other so that during rotor rotation, the blades do not collide but rather partially overlap, allowing airflow between them. The turbine as described above may additionally have a directional rudder rigidly attached to the upper end of the angle connector, parallel to the shaft axis, and above the upper hub, which is positioned parallel to the wind direction.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest to, że podczas obrotu pary łopat dolnych i górnych naprzemiennie odsłaniają się w 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.A beneficial effect of the invention is that, during rotation, the lower and upper blade pairs alternately open in phase when moving with the wind direction and close in phase when moving against the wind direction. As a result, the drag force is greater in the first phase than in the second phase. The turbine according to the invention generates greater torque compared to twin-rotor turbines with parallel rotor axes.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:The subject of the invention in an embodiment is shown in the drawing, in which the individual figures represent:

fig. 1 - turbina w widoku perspektywicznym z góry i od boku, fig. 2 - turbina w widoku z przodu w pierwszym położeniu, fig. 3 - turbina w widoku z przodu w drugim położeniu, fig. 4 - turbina w widoku z góry, fig. 5 - turbina przekroju wzdłuż linii A-A z fig. 4.Fig. 1 - turbine in perspective view from above and from the side, Fig. 2 - turbine in front view in the first position, Fig. 3 - turbine in front view in the second position, Fig. 4 - turbine in top view, Fig. 5 - turbine cross-section along line A-A from Fig. 4.

Zgodnie z powszechną definicją przegub napędowy to rodzaj kompensacyjnego sprzęgła przymusowego, stosowanego w budowie maszyn do łączenia wałów w celu przekazywania momentu obrotowego, dopuszczającego znaczne odchylenie kątowe osi, na ogół do 45°, które może zmieniać się w czasie pracy.According to the common definition, a drive joint is a type of compensating positive coupling used in machine construction to connect shafts in order to transmit torque, allowing a significant angular deviation of the axis, usually up to 45°, which may change during operation.

Turbina wiatrowa dwuwirnikowa przegubowa według wynalazku, przedstawiona na rysunkach, posiada wał 1 usytuowany pionowo i poprzecznie do kierunku wiatru 7. 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 za pomocą dolnych elementów mocujących 2.1.1,2.2.1,2.3.1. Wirnik górny składa się z piasty górnej 3, do której również na sztywno zamocowane są łopaty górne 3.1, 3.2, 3.3 przy użyciu górnych elementów mocujących 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1. Kąty pomiędzy sąsiadującymi dolnymi elementami mocującymi 2.1.1,2.2.1, 2.3.1 łopat dolnych 2.1, 2.2, 2.3 w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty dolnej 2 są równe i wynoszą 120°. Również kąty pomiędzy sąsiadującymi górnymi elementami mocującymi 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1 łopat górnych 3.1, 3.2, 3.3 w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu piasty górnej 3 są równe i wynoszą 120°. 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 a = 165°. Na drugim końcu łącznika kątowego 4 obrotowo osadzona jest piasta górna 3. Piasta górna 3 sprzężona jest z piastą dolną 2 za pomocą przegubu Cardana 5. Rzuty osi par górnych elementów mocujących 3.1.1,3.2.1,3.3.1 oraz par dolnych elementów mocujących 2.1.1,2.2.1,2.3.1 na płaszczyznę prostopadłą do osi wału 1 rozmieszczone są względem siebie pod kątem ostrym β = 12°. Każda para składa się z jednej łopaty dolnej 2.1, 2.2, 2.3 i jednej łopaty górnej 3.1, 3.2, 3.3, 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 6, znajdujący się powyżej piasty górnej 3. Ster 6 jest ustawiony równolegle do kierunku wiatru 7.The two-rotor articulated wind turbine according to the invention, shown in the drawings, has a shaft 1 arranged vertically and transversely to the wind direction 7. A lower hub 2 is attached to the shaft 1, and an upper hub 3 is rotatably attached via an angle connector 4. The lower rotor consists of a lower hub 2, to which the lower blades 2.1, 2.2, 2.3 are rigidly attached using lower fastening elements 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1. The upper rotor consists of an upper hub 3, to which the upper blades 3.1, 3.2, 3.3 are also rigidly attached using upper fastening elements 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1. The angles between adjacent lower fastening elements 2.1.1,2.2.1, 2.3.1 of lower blades 2.1, 2.2, 2.3 in a plane perpendicular to the axis of rotation of the lower hub 2 are equal and amount to 120°. The angles between adjacent upper fastening elements 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1 of upper blades 3.1, 3.2, 3.3 in a plane perpendicular to the axis of rotation of the upper hub 3 are also equal and amount to 120°. The first end of the angle connector 4, which has the form of a bent rod with a circular cross-section, is pivotally attached to the lower hub 2, in its axis of rotation. The axes of the sections of the angle connector 4 are arranged relative to each other at an obtuse angle a = 165°. At the other end of the angle connector 4, the upper hub 3 is rotatably mounted. The upper hub 3 is coupled to the lower hub 2 by means of a cardan joint 5. The projections of the axes of the pairs of upper fastening elements 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1 and of the pairs of lower fastening elements 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 on a plane perpendicular to the axis of the shaft 1 are arranged relative to each other at an acute angle β = 12°. Each pair consists of one lower blade 2.1, 2.2, 2.3 and one upper blade 3.1, 3.2, 3.3, the projected axes of the fastening elements of which are closest to each other and are positioned so that the blades do not collide during rotation, but partially overlap in a way that allows air flow between them. To the upper end of the angle connector 4, parallel to the axis of the shaft 1, a rudder 6 is rigidly attached, located above the upper hub 3. The rudder 6 is positioned parallel to the wind direction 7.

Działanie turbiny wiatrowej dwuwirnikowej według przedstawionego przykładu polega na tym, że wiatr 6 wprawia w ruch łopaty dolne 2.1,2.2, 2.3, 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 obracają się po okręgu, którego płaszczyzna jest ustawiona pod kątem a - 90° względem osi wału 1. W pierwszym położeniu roboczym, w którym łopaty dolne 2.1,2.2, 2.3 i łopaty górne 3.1,3.2, 3.3 poruszają się zgodnie z kierunkiem wiatru 7, powierzchnia każdej z łopat górnych 3.1, 3.2, 3.3 patrząc od strony nadchodzącego wiatru, nie pokrywa się z powierzchnią odpowiadającej jej łopaty dolnej 2.1, 2.2, 2.3. W tym położeniu przepływ powietrza jest swobodny i wykorzystywany do produkcji energii. W drugim położeniu, gdy łopaty dolne 2.1,2.2, 2.3 i łopaty górne 3.1, 3.2, 3.3 poruszają się przeciwnie do kierunku wiatru 7, powierzchnia każdej z łopat górnych 3.1, 3.2, 3.3, patrząc od strony wiatru, pokrywa się w większości z powierzchnią odpowiedniej łopaty dolnej 2.1,2.2, 2.3. Dzięki temu zmniejszany jest opór i ograniczana strata energii w fazie powrotnej.The operation of the two-rotor wind turbine according to the presented example consists in that the wind 6 sets in motion the lower blades 2.1, 2.2, 2.3, which rotate around the axis of the shaft 1 in a circle lying in a plane perpendicular to this axis. Thanks to the use of the angle connector 4, the upper blades 3.1, 3.2, 3.3 rotate in a circle, the plane of which is set at an angle a - 90° with respect to the axis of the shaft 1. In the first operating position, in which the lower blades 2.1, 2.2, 2.3 and the upper blades 3.1, 3.2, 3.3 move in the direction of the wind 7, the surface of each of the upper blades 3.1, 3.2, 3.3, when viewed from the side of the oncoming wind, does not coincide with the surface of the corresponding lower blade 2.1, 2.2, 2.3. In this position, the airflow is free and used to produce energy. In the second position, when the lower blades 2.1, 2.2, 2.3 and the upper blades 3.1, 3.2, 3.3 move against the wind direction 7, the surface of each of the upper blades 3.1, 3.2, 3.3, as viewed from the wind, mostly overlaps the surface of the corresponding lower blade 2.1, 2.2, 2.3. This reduces drag and limits energy loss in the return phase.

Ster kierunkowy 6 ustawia się automatycznie równolegle do kierunku wiatru 7, 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.The rudder 6 automatically aligns itself parallel to the wind direction 7, ensuring that the entire structure, including the angle connector 4, is properly aligned with the airflow. This ensures optimal turbine operation – both during the operating phase and during the blade return phase.

Wykaz oznaczeń: 1List of markings: 1

2.1,2.2, 2.32.1,2.2,2.3

2.1.1,2.2.1,2.3.1 32.1.1,2.2.1,2.3.1 3

3.1,3.2, 3.33.1,3.2,3.3

3.1.1,3.2.1,3.3.1 wał piasta dolna łopaty dolne dolne elementy mocujące piasta górna łopaty górne górne elementy mocujące łącznik kątowy przegub Cardana ster kierunkowy kierunek wiatru a kąt pomiędzy osiami odcinków łącznika kątowego β kąt pomiędzy rzutami osi par elementów mocujących3.1.1,3.2.1,3.3.1 shaft lower hub lower blades lower fastening elements upper hub upper blades upper fastening elements angle connector cardan joint rudder wind direction a angle between the axes of the angle connector sections β angle between the projections of the axes of the pairs of fastening elements

Claims

1. A two-rotor articulated wind turbine having a shaft (1), a lower rotor and an upper rotor, wherein the lower rotor consists of a lower hub (2) with lower blades (2.1, 2.2, 2.3) rigidly attached to it by means of lower fastening elements (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1), and the upper rotor consists of an upper hub (3) with upper blades (3.1, 3.2, 3.3) rigidly attached to it by means of upper fastening elements (3.1.1, 3.2.1, 3.3.1), wherein the shaft (1) is located vertically and transversely to the wind direction and the lower hub (2) is attached to the shaft (1) and the upper hub (3) is attached rotatably via an angle connector (4), and the angles between adjacent lower fastening elements (2.1.1, 2.2.1,2.3.1) of the lower blades (2.1,2.2, 2.3) in a plane perpendicular to the axis of rotation of the lower hub (2) are the same and the angles between the adjacent upper fastening elements (3.1.1,3.2.1,3.3.1) of the upper blades (3.1, 3.2, 3.3) in a plane perpendicular to the axis of rotation of the upper hub (3) are the same, characterized in that in the shaft (1), to the lower hub (2) in its axis of rotation, a first end of the angle connector (4) in the form of a bent rod with a circular cross-section is rotatably fastened, wherein the axes of the angle connector (4) are arranged relative to each other at an obtuse angle (a) which is greater than 120° and less than 180°, and at the other end of the angle connector (4) the upper hub (3) is rotatably mounted, and the upper hub (3) is coupled to the lower hub (2) by means of a cardan joint (5), while the projections of the axes of the pairs of upper fastening elements (3.1.1, 3.2.1, 3.3.1) and the projections of the axes of the pairs of lower fastening elements (2.1.1, 2.2.1, 2.3.1) on a plane perpendicular to the axis of the shaft (1) are arranged relative to each other at an acute angle (β), and each pair consists of one lower blade (2.1, 2.2, 2.3) and one upper blade (3.1, 3.2, 3.3), the projected axes of the fastening elements of which are closest to each other in this plane and are positioned relative to each other so that during the rotation of the rotors these blades do not collide with each other but partially overlap in a way that allows air flow between them.

2. A turbine according to claim 1, characterized in that a directional rudder (6), which is positioned parallel to the wind direction (7), is rigidly attached to the upper end of the angle connector (4), parallel to the shaft axis (1) and above the upper hub.