PL70567Y1 - Tunelowa turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu wirnika - Google Patents

Description

PL 70 567 Y1 2 Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest jednostopniowa, konfuzorowo-dyfuzorowa turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu wirnika, przetwarzajaca energie kinetyczna powietrza na obrotowa energie me- chaniczna, która nastepnie transformowana jest na energie elektryczna w generatorze pradu. Rozwój tunelowych turbin wiatrowych ukierunkowany jest glównie na wyeliminowanie strat wyni- kajacych z wirów pojawiajacych sie na koncach lopatek oraz mozliwosci odzyskania wiekszej ilosci energii poprzez dodatkowy przyrost predkosci powietrza przeplywajacego przez wirnik zabudowany w gardzieli dyfuzora. Znanych jest bardzo wiele róznych rozwiazan jednostopniowych, konfuzorowo- -dyfuzorowych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu wirnika, których konstrukcja zapewnic ma uzy- skanie wysokiego wskaznika mocy z powierzchni zakreslanej wirnikiem [W/m 2 ]. Warunkiem jest przy- spieszenie i zwiekszenie masy strumienia powietrza w gardzieli, co wymaga zachowania mozliwie laminarnego przeplywu powietrza przez dyfuzor przy duzym kacie rozwarcia. Znanych jest wiele turbin wiatrowych o rozwiazaniach wykorzystujacych zawirowania do wspomagania stabilizacji strumienia po- wietrza przeplywajacego przez dyfuzor i zapobiegania odrywaniu sie strumienia powietrza od scianki w strefie rozwartej wylotu z dyfuzora, jak i w osi za gondola piasty wirnika. Z uwagi na cel pelnego wykorzystania energii wiatru, w dotychczasowych rozwiazaniach turbin tunelowych stosowane sa dopuszczalnie male szczeliny miedzy górnymi koncami lopatek i powierzch- nia gardzieli oraz praktycznie bezszczelinowe polaczenie z piasta. W doborze wymiaru szczeliny górnej uwzgledniane sa tylko uwarunkowania montazowo-ruchowe: wydluzenie lopat obciazonych sila odsrod- kowa i promieniowe „bicie” przy dopuszczalnym zuzyciu lozyskowania piasty. Wytwarzane w tak malych szczelinach – praktycznie nie przekraczajacych wymiarów w zakresie od 1 mm dla konstrukcji o mniej- szych srednicach, do kilkunastu milimetrów dla wiekszych konstrukcji dyfuzorowych o srednicach oscy- lujacych w granicach 10 m, zwykle nie przekraczajacych 0,05% promienia gardzieli – zawirowania powietrza maja znikomo mala energie i ich wplyw na przeplyw powietrza za wirnikiem w czesci podci- snieniowo-rozbieznej dyfuzora jest znikomo maly, zwykle uznawany jako niepozadany. Znane sa rozwiazania turbin tunelowych, przedstawione miedzy innymi w opisach patentowych WO2009063599, WO2014134032 i JP2003278635, w których na koncu dyfuzora znajduje sie odsa- dzony prostopadle na zewnatrz kolnierz, za którym powstaja podcisnienie oraz obwodowe, wzdluz kra- wedzi kolnierza, zawirowania o osiach lezacych w plaszczyznie prostopadlej do osi dyfuzora. Znane jest równiez rozwiazanie przedstawione w opisie JP2006152854 z wirnikiem usytuowanym w plaszczyz- nie gardzieli dyfuzora, którego scianka ma w przekroju poprzecznym profil lotniczy. Powierzchnia we- wnetrzna scianki dyfuzora, w poblizu wylotu, jest perforowana wieloma dyszami, które przez kanaly prowadzone przez zebra laczace dyfuzor z gondola polaczone sa z dysza ssaca, usytuowana w osi tylnego konca gondoli. Wystepujace za gondola podcisnienie powoduje zasysanie powietrza przez otwory z rozwartej strefy koncowej dyfuzora, z korzystnym skutkiem przysysania warstw przysciennych przeplywajacego powietrza do scianki dyfuzora i efektem stabilizacji przeplywu powietrza. Oprócz powyzej wymienionych znane jest takze rozwiazanie turbiny przedstawionej opisem patentowym US4720640, zawierajace nieruchomy dyfuzor w postaci bryly obrotowej, której scianka w przekroju osiowym ma ksztalt wkleslo-wypukly skierowany noskiem w strone naplywajacego powie- trza. W plaszczyznie gardzieli dyfuzora usytuowany jest wirnik z lopatkami, które dolnymi koncami po- laczone sa z lozyskowana wspólosiowo z dyfuzorem piasta. Obrys piasty jest zgodny z oplywowym profilem gondoli, która polaczona jest promieniowymi zebrami z dyfuzorem, usytuowanymi przed wirni- kiem. Górne konce lopatek polaczone sa z obrotowym pierscieniem usytuowanym w pierscieniowej wnece dyfuzora, przy czym powierzchnia wewnetrzna pierscienia tworzy strefe gardzieli dyfuzora. Opis przedstawia dwa mozliwe wykonania turbiny: z generatorem pradu zabudowanym w pierscieniowej wnece dyfuzora oraz z pradnica zabudowana w gondoli i której rotor napedzany jest od piasty wirnika. Rozwiazanie turbiny wedlug niniejszego wzoru uzytkowego ma zwiekszyc sprawnosci tunelowej turbiny wiatrowej przez zintensyfikowanie korzystnego wplywu zawirowan w celu zmniejszenia suma- rycznych oporów przeplywu i zwiekszenia strumienia masy powietrza przeplywajacego przez turbine. Turbina wedlug wzoru ma podobnie jak w powyzej opisanych rozwiazaniach dyfuzor w postaci rurowej bryly obrotowej, o sciance majacej w przekroju osiowym ksztalt wkleslo-wypuklego profilu lotni- czego, który skierowany jest noskiem w strone naplywajacego powietrza, a tylnym koncem odchylony jest na zewnatrz, ponadto który przez kierunkowy zespól lozyskowy o pionowej osi obrotu podparty jest na maszcie turbiny. Wirnik z lopatkami obraca sie w plaszczyznie gardzieli dyfuzora, ze szczelina górna miedzy górnymi koncami lopatek i powierzchnia gardzieli, a dolne konce lopatek polaczone sa z piasta PL 70 567 Y1 3 lozyskowana w gondoli o oplywowym profilu. Gondola polaczona jest wspólosiowo z dyfuzorem przez promieniowe zebra, zabudowane przed wirnikiem. Istota rozwiazania wedlug wzoru polega na tym, ze dolne konce lopatek polaczone sa z piasta przez jeden pretowy lacznik, który tworzy szczeline dolna miedzy lopatka i piasta. Stosunki wymiarów szczelin górnych i dolnych do dlugosci cieciw profili na od- powiadajacych im koncach lopatki maja wartosci w zakresie od 0,1 do 0,5. Korzystna jest postac wzoru, w której pobocznica gondoli ma ksztalt bedacy zwierciadlanym od- biciem odcinka profilu powierzchni wewnetrznej dyfuzora, którego konce wyznaczaja punkty przeciecia sie linii prostej równoleglej do osi dyfuzora a prowadzonej przez czolowy punkt natarcia noska dyfuzora i punkt profilu na jego rozwartej powierzchni wewnetrznej. Wytwornice pradu elektrycznego w powyzej zdefiniowanych postaciach turbiny stanowi pradnica zabudowana w gondoli, której rotor napedzany jest od piasty wirnika. W kolejnej zalecanej postaci wzoru turbina posiada obrotowy pierscien usytuowany w obwodowej wnece dyfuzora, polaczony przez dwa pretowe laczniki z górnymi koncami lopatek. Laczniki tworza szcze- line górna, przy czym powierzchnia wewnetrzna obrotowego pierscienia ma ksztalt gardzieli dyfuzora. W takiej postaci turbiny z obrotowym pierscieniem, korzystnym jest, gdy obwodowa wneke sta- nowi okragla rama nosna o ceowym przekroju poprzecznym, otwartym w kierunku osi obrotu wirnika. Do ramy nosnej zamocowane sa kompozytowe powloki wyznaczajace profil lotniczy dyfuzora oraz dolny czlon z zespolem lozyskowania kierunku wiatru. Wytwornice pradu elektrycznego w turbinie z obrotowym pierscieniem stanowi generator pradu zabudowany wewnatrz ramy nosnej. Jego magnesy trwale zamocowane sa na zewnetrznym obwodzie obrotowego pierscienia a cewki indukcyjne ustalone do ramy nosnej. W turbinach wykonanych wedlug przedstawionych postaci wzoru, elementy o znacznych wymia- rach gabarytowych: dyfuzor, jego rama nosna, powloki profilu lotniczego, obrotowy pierscien i elementy generatora pradu podzielone sa na obwodowe wycinki o wymiarach maksymalnych umozliwiajacych transport w standardowych kontenerach. Wycinki te w miejscu montazu i pracy turbiny laczone sa ze soba w wymagany ksztalt roboczy. Przedstawione rozwiazanie turbiny wedlug wzoru uzytkowego w warstwach przysciennych dyfu- zora i gondoli generuje struktury wirowe o osiach zasadniczo równoleglych do osi dyfuzora, majace znaczaca energie, a jednoczesnie minimalizujace struktury wirowe o osiach prostopadlych. Oddzialy- wanie tak wywolanych zawirowan zwieksza energie warstwy przysciennej oraz tworzy zmiany cisnie- niowe przeciwdzialajace odrywaniu sie strug powietrza od powierzchni zarówno dyfuzora, jak i gondoli. Opory przeplywu korzystnie minimalizuje obwodowa symetryzacja przeplywu uzyskana przez zwiercia- dlane uksztaltowanie dyfuzora i gondoli. Zastosowanie szczelin na obu koncach lopat wirnika pozwala na uzyskanie laminarnego przeplywu przy znacznie rozwartym dyfuzorze. Efektem jest uzyskanie wiek- szej mocy z roboczej powierzchni zakreslanej wirnikiem turbiny. Tunelowa turbina wedlug wzoru uzytkowego pokazana jest na rysunku, którego poszczególne figury przedstawiaja: Fig. 1 – widok czolowy turbin od strony wlotu powietrza, przedstawiajacy: ? na górnej polówce postac wzoru z lopatkami wirnika polaczonymi na obu koncach przez laczniki z obrotowym pierscieniem i z piasta gondoli, a ? na polówce dolnej postac bez obrotowego pierscienia, z lopatkami wirnika polaczonymi na dolnym koncu przez jeden lacznik z piasta, Fig. 2 – przekrój osiowy wedlug linii A-A z Fig. 1, Fig. 3 – szczegól B rysunku z Fig. 2, Fig. 4 – przekrój poprzeczny wedlug linii C-C z Fig. 3, Fig. 5 – szczegól D rysunku z Fig. 2, Fig. 6 – przekrój poprzeczny wedlug linii E-E z Fig. 5, Fig. 7 – przekrój osiowy przez dyfuzor i gondole z oznaczeniem charakterystycznych wymiarów, Fig. 8 – widok perspektywiczny ramy nosnej turbiny z obrotowym pierscieniem, Fig. 9 – szczegól F rysunku z Fig. 8, Fig. 10 – szczegól G rysunku z Fig. 8, Fig. 11 – widok perspektywiczny w ujeciu „rozstrzelonym”, rozczlonkowanych elementów turbiny, w postaci z obrotowym pierscieniem i generatorem pradu w dyfuzorze. Tunelowa turbina wedlug wzoru uzytkowego ma podobnie jak w znanych rozwiazaniach, dyfu- zor 1 i wirnik 2, który lozyskowany jest piasta 3 w gondoli 4 ustalonej wspólosiowo przez trzy promie- niowe zebra 5 przed gardziela Rt dyfuzora 1. Dyfuzor 1 ma postac rurowej bryly obrotowej, której scianka PL 70 567 Y1 4 w przekroju osiowym ma ksztalt wkleslo-wypuklego profilu lotniczego. Profil lotniczy dyfuzora 1 skiero- wany jest noskiem w strone naplywajacego powietrza. Dyfuzor 1 w dolnym punkcie zewnetrznej scianki pobocznicy ma gniazdo zespolu lozyskowego 6, którym turbina nastawiana jest na kierunek wiatru wzgledem pionowej osi obrotu i którym jest podparta na nie pokazanym na rysunku maszcie. Wirnik 2, o przykladowo jedenastu lopatkach 7, wiruje w plaszczyznie gardzieli Rt dyfuzora 1. Na Fig. 1 przedstawione sa dwie podstawowe postacie wykonania turbiny wedlug wzoru uzytko- wego. W postaci pokazanej na górnej polówce Fig. 1 górne konce lopatek 7 polaczone sa dwoma pre- towymi lacznikami 8 z obrotowym pierscieniem 9 usytuowanym we wnece 10 dyfuzora 1. Powierzchnia wewnetrzna obrotowego pierscienia 9 ma ksztalt profilu gardzieli Rt dyfuzora 1. Natomiast w wykonaniu wedlug postaci pokazanej na polówce dolnej Fig. 1 górne konce lopatek 7 sa swobodne. Dolne konce lopatek 7 w obu postaciach polaczone sa jednym trzpieniowym lacznikiem 8 tworzacym szczeline dolna z2 do piasty 3, majacej obrys zgodny z oplywowym profilem gondoli 4. Miedzy górnymi koncami lopatek 7 a powierzchnia gardzieli Rt dyfuzora 1 wystepuja szczeliny górne z1, które w postaci pokazanej na górnej polówce z obrotowym pierscieniem 9 wyznaczone sa dlugoscia pretowych laczników 8. Dolne konce lopatek 7 odsuniete sa od powierzchni piasty 3 o wymiar szczeliny dolnej z2 wyznaczonej dlugo- scia trzpienia 8, zamocowanego do dolnych konców lopatek 7 i do piasty 3. Wymiary szczeliny górnej z1 i szczeliny dolnej z2 moga byc równe wzglednie rózne, ale zawsze ich wartosci mieszcza sie w zakresie od 0,1 do 0,5 dlugosci cieciw c1 i c2 profili na odpowiadajacych im koncom lopatki 7 – co zobrazowano na figurach 4 i 6 rysunku. Istotna dla wzoru jest obwodowa symetryzacja przeplywu przez dyfuzor 1, co osiagniete zostalo w wyniku uksztaltowania gondoli 4 wedlug zwierciadlanego odbicia odcinka profilu Lh powierzchni we- wnetrznej dyfuzora 1. Odcinek Lh tej krzywej wyznaczaja punkty przeciecia sie linii prostej li równoleglej do osi O-O dyfuzora 1 i prowadzonej przez czolowy punkt natarcia noska 17 dyfuzora 1 oraz punkt lh przeciecia sie prostej li z profilem czesci rozwartej dyfuzora 1. W prototypowym wykonaniu turbiny wedlug wzoru, z dyfuzorem 1 okreslonym wymiarami na Fig. 7 oraz wirnikiem 2, które wspólpracuja ze soba przy: szczelinach: górnej z1 = 30 mm i dolnej z2 = 20 mm oraz dyfuzorze o promieniu gardzieli Rt = 2353,50 mm, promieniu otworu wlotowego Ri = 2619,25 mm, promieniu otworu wylotowego Ro = 3650 mm, promieniu gondoli Rh = 259 mm, dlugosci dyfuzora Ld = 3381 mm, dlugosci gondoli Lh = 2113 mm, i dlugosciach (wedlug Fig. 4 i 6): cieciwy górnego konca lopatki c1 = 71 mm, cieciwy dolnego konca lopatki c2 = 161 mm, wartosci: z1/c1 = 0,42, a z2/c2 = 0,12, które wystepuja w wyróznionym, znamiennym zakresie wzoru uzytkowego: od 0,1 do 0,5. Obwodowa wneke 10 w dyfuzorze 1 dla obrotowego pierscienia 9 tworzy okragla rama nosna 11 o przekroju poprzecznym otwartym w kierunku osi dyfuzora O-O i do której zamocowane sa: kompozy- towe powloki przednia 12 i tylna 13, wyznaczajace profil lotniczy dyfuzora 1, oraz czlon dolny 14 z zespolem lozyskowym 6 kierunku wiatru. W wykonaniu postaci turbiny bez obrotowego pierscienia 9, wytwornica pradu jest pradnica 15 zabudowana w gondoli 4 z rotorem napedzanym od piasty 3 wir- nika 2. Natomiast w wykonaniu wzoru w postaci z obrotowym pierscieniem 9 generator pradu 16 zabu- dowany jest wewnatrz ramy nosnej 11, z magnesami trwalymi zamocowanymi na zewnetrznym obwo- dzie obrotowego pierscienia 9 oraz z cewkami indukcyjnymi ustalonymi do ramy nosnej 11. W turbinach wedlug wzoru o duzej mocy, których znaczne wymiary stanowia trudnosci w trans- porcie po drogach publicznych, dyfuzor 1, jego rama nosna 11, powloki 12, 13, 14 profilu lotniczego, obrotowy pierscien 9 i elementy generatora pradu 16 podzielone sa obwodowo na wycinki o wymiarach maksymalnych umozliwiajacych transport w standardowym kontenerze. W miejscu zabudowy turbiny sa one montazowo laczone ze soba srodkami zlacznymi 18 w wymagany ksztalt roboczy. Wykaz oznaczen na rysunku 1. dyfuzor 2. wirnik PL 70 567 Y1 5 3. piasta 4. gondola 5. zebro 6. zespól lozyskowy 7. lopatka 8. lacznik 9. obrotowy pierscien 10. wneka 11. rama nosna 12. przednia powloka profilu 13. tylna powloka profilu 14. czlon dolny z zespolem lozyskowym 15. pradnica 16. generator pradu 17. nosek profilu lotniczego 18. srodek zlaczny z1 szczelina górna z2 szczelina dolna c1 dlugosc cieciwy górnego konca lopatki c2 dlugosc cieciwy dolnego konca lopatki O-O os dyfuzora li linia prosta, równolegla do osi dyfuzora lh punkt przeciecia sie linii p z pow. wewnetrzna dyfuzora Rt promien gardzieli dyfuzora Ri promien otworu wlotowego Rh promien piasty gondoli Ro promien otworu wylotowego Ld dlugosc dyfuzora Lh dlugosc gondoli PL PL

Claims (7)

1. Zastrzezenia ochronne 1. Tunelowa turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu wirnika, zawierajaca: ? dyfuzor (1) w postaci rurowej bryly obrotowej, o sciance majacej w przekroju osiowym ksztalt wkleslo-wypuklego profilu lotniczego skierowanego noskiem (17) w strone naply- wajacego powietrza a tylnym koncem odchylonego na zewnatrz, oraz który przez kierun- kowy zespól lozyskowy (6) o pionowej osi obrotu podparty jest na maszcie turbiny, oraz ? wirnik (2) z lopatkami (7), obracajacymi sie w plaszczyznie gardzieli (Rt) dyfuzora (1), ze szczelina górna (z1) miedzy górnymi koncami lopatek (7) i powierzchnia gardzieli (Rt) a których dolne konce polaczone sa z piasta (3) lozyskowana w gondoli (4) o oplywowym profilu, przy czym gondola (4) polaczona jest wspólosiowo z dyfuzorem (1) przez promie- niowe zebra (5), zabudowane przed wirnikiem (2), znamienna tym, ze dolne konce lopatek (7) polaczone sa z piasta (3) przez jeden pretowy lacznik (8) tworzacy szczeline dolna (z2) miedzy lopatka (7) i piasta (3), przy czym stosunki wymiarów szczelin górnych (z1) i dolnych (z2) do dlugosci cieciw (c1, c2) profili na odpowia- dajacych im koncach lopatki (7) maja wartosci w zakresie od 0,1 do 0,5.

2. Turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze pobocznica gondoli (4) ma ksztalt bedacy zwier- ciadlanym odbiciem odcinka (Lh) profilu powierzchni wewnetrznej dyfuzora (1), którego konce wyznaczaja punkty przeciecia sie linii prostej (Ii) równoleglej do osi dyfuzora (O-O) a prowa- dzonej przez czolowy punkt natarcia noska (17) dyfuzora (1) i punkt (lh) przeciecia sie z profi- lem na jego rozwartej powierzchni wewnetrznej.

3. Turbina wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, ze posiada pradnice (15) zabudowana w gondoli (4), której rotor napedzany jest od piasty (3) wirnika (2). PL 70 567 Y1 6

4. Turbina wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, ze posiada obrotowy pierscien (9) usytuo- wany w obwodowej wnece (10) dyfuzora (1), polaczony przez dwa pretowe laczniki (8) z gór- nymi koncami lopatek (7) tworzac szczeline górna (z1), przy czym powierzchnia wewnetrzna obrotowego pierscienia (9) ma ksztalt gardzieli (Rt) dyfuzora (1).

5. Turbina wedlug zastrz. 4, znamienna tym, ze obwodowa wneke (10) stanowi okragla rama nosna (11) o ceowym przekroju poprzecznym otwartym w kierunku osi dyfuzora (1) i do której zamocowane sa kompozytowe powloki (12, 13) wyznaczajace profil lotniczy dyfuzora (1) i dolny czlon (14) zespolu lozyskowania (6) kierunku wiatru.

6. Turbina wedlug zastrz. 5, znamienna tym, ze wewnatrz ramy nosnej (11) zabudowany jest generator pradu (16), z magnesami trwalymi zamocowanymi na zewnetrznym obwodzie ob- rotowego pierscienia (9) i z cewkami indukcyjnymi ustalonymi do ramy nosnej (11).

7. Turbina wedlug zastrz. 1 albo 6, znamienna tym, ze dyfuzor (1), jego rama nosna (11), powloki (12, 13) profilu lotniczego, obrotowy pierscien (9) i elementy generatora pradu (16) podzielone sa na obwodowe wycinki o wymiarach maksymalnych umozliwiajacych transport w standardowym kontenerze, a które podczas montazu laczone sa srodkami zlacznymi (18) w wymagany ksztalt roboczy turbiny. PL PL