SK492021A3 - Axiálno-radiálna veterná turbína - Google Patents

Abstract

Axiálno-radiálna veterná turbína premieňa posuvný pohyb vzduchu na krútiaci pohyb generátora (13). Získavanie elektrickej energie z kinetickej energie vetra je umožnené protismerným otáčaním axiálneho obežného kolesa (1) proti radiálnemu obežnému kolesu (2), pričom obidve kolesá sú pripevnené pomocou ložísk (3) na tú istú vodorovnú stacionárnu osku (4). Okolo stredovej vodorovnej stacionárnej osky (4) medzi obidvomi kolesami je umiestnený generátor (13), a to statorom pripevnený k axiálnemu obežnému kolesu (1) a rotorom pripevnený k radiálnemu obežnému kolesu (2) alebo naopak, pričom stator má opačnú orientáciu otáčania ako rotor generátora. Prúd vzduchu obtekajúci axiálno-radiálnu veternú turbínu je usmerňovaný roznášajúcim plášťom (7) v tvare dutého zrezaného kužeľa, valcovým plášťom (9) a uzatvárajúcim plášťom (8) v tvare kužeľa.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka axiálno-radiálnej turbíny a jej použitie je v oblasti veterných turbín využívajúcich silu vetra na výrobu elektrickej energie. Vynález patrí svojím obsahom do odboru fyziky, časti mechanika.

Doterajší stav techniky

Na využitie sily vetra sa doteraz priemyselne skoro na 95 % používajú vrtuľové turbíny dvoj alebo trojlisté s vodorovnou osou otáčania označujúcich sa ako HAWT. Konštrukčné obmedzenie pri týchto typoch turbín je dané rýchlosťou voľného konca listu turbíny, pretože pri veľkej rýchlosti špičky hrotu dochádza ku turbulentným problémom, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú energetický výnos zariadenia. V minulosti sa používali tiež veterné mnoho lopatkové kolesá, alebo veterné turbíny označujúce sa ako VAWT typu H - rotor so zvislými listami a zvislou osou otáčania, alebo turbíny typu Darrieus. Najstaršie typy sú karuselové s rôznymi výkyvnými lamelami, účinnými v jednej polovici otáčania rotora. Objavilo sa aj mnoho nápadov lineárnych hnacích zariadení s plochami alebo listami upevnenými na dvoch koncoch na dvoch kábloch, reťaziach alebo lanách usporiadaných do uzavretej slučky.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu axiálno-radiálnej veternej turbíny je schopnosť konať otáčavý protismerný pohyb axiálneho obežného kolesa voči radiálnemu obežnému kolesu vyvolaný silou vetra a tieto pohyby preniesť na generátor za účelom výroby elektrickej energie. Lopatky radiálneho obežného kolesa sú umiestnené až za obvodom axiálneho obežného kolesa, pričom obidve kolesá sú pripevnené pomocou ložísk na tú istú vodorovnú stacionárnu osku a sú usporiadané na oske tesne za sebou s vytvorenou medzerou medzi nimi, v ktorej je umiestnený generátor. Pojem axiálne obežné koleso v tomto opise má taký význam, že prúd vzduchu v axiálnom smere je privádzaný na plné koleso pre vzduch nepriepustné so zakrivenými drážkami čelne spredu. Pojem radiálne obežné koleso v tomto opise má taký význam, že prúd vzduchu je privádzaný na koleso pre vzduch priepustné v radiálnom smere, ktoré je vytvorené aerodynamickými lopatkami a prúd vzduchu smeruje zvnútra od stredu kolesa von za obvod kolesa. Toto prúdenie spôsobuje kužeľovitý tvar axiálneho obežného kolesa so špicom vpredu a s drážkami v zakrivenom oblúkovitom tvare. Axiálne obežné koleso je plné teleso kužeľovitého tvaru s oblúkovitými drážkami na povrchu kužeľa, ktoré smerujú od stredovej osi kužeľa ku jeho podstave na obvode kolesa. Radiálne obežné koleso je konštruované ako bežná radiálna turbína používaná v priemyselných ventilátoroch a skladá sa z obruče, aerodynamických lopatiek pripevnených po obvode a pevného plného nosného kruhu s dierou uprostred, v ktorej sú osadené ložiská. Keď je turbína natočená prednou stranou čelne proti vetru tak sa vietor opiera do zakrivených oblúkovitých drážok axiálneho obežného kolesa, čím axiálne koleso roztáča a zároveň pomocou kužeľovitého tvaru axiálneho kolesa privádza prúd vzduchu na jeho okraje, kde tento prúd vzduchu naráža na lopatky radiálneho kolesa a roztáča ho opačným smerom. Okolo stredovej stacionárnej osky medzi axiálnym a radiálnym kolesom je umiestnený generátor, a to statorom pripevnený ku axiálnemu obežnému kolesu a rotorom pripevnený ku radiálnemu obežnému kolesu alebo naopak, pričom stator má opačnú orientáciu otáčania ako rotor generátora. V podstate sa stator takisto stáva rotorom a môžeme hovoriť o dvojrotorovom generátore. Takouto konštrukciou sa zvýšia otáčky generátora bez použitia prevodovky na dvojnásobok, čím sa zvyšuje jeho účinnosť. Prúd vzduchu prichádzajúci spredu na axiálno-radiálnu veternú turbínu je rozdelený na dve časti, a to stredovú časť a obvodovú časť. Stredová časť prúdu vzduchu obteká zväčšený oblý špic pripevnený ku stacionárnej oske a naráža na axiálne obežné koleso, ktorým je prúd vzduchu odklonený na radiálne koleso, pričom vzniká pred axiálnym kolesom pretlak vzduchu a za radiálnym kolesom podtlak vzduchu. Prúd vzduchu odovzdá časť svojej kinetickej energie obidvom kolesám a po obvode turbíny uniká kruhovou štrbinou do zóny nižšieho tlaku vzduchu okolo pevného kužeľovitého uzatváracieho plášťa za turbínu. Zónu nižšieho tlaku vzduchu vytvára obvodová časť čelného prichádzajúceho vzduchu, ktorá prúdi okolo predného kužeľovitého roznášajúceho plášťa a vchádza do štrbiny zvonku ohraničenej valcovým plášťom, čím sa zvyšuje rýchlosť prúdenia vzduchu v štrbine a znižuje sa tlak vzduchu, pričom strháva so sebou vzduch prichádzajúci od obvodu radiálneho kolesa, čo znamená, že vzduch, ktorý odovzdá svoju kinetickú energiu rotujúcim kolesám a stratí svoju rýchlosť sa nehromadí, ale je odsávaný do priestoru za turbínou. Turbína je chránená proti silnému vetru výklopnými klapkami umiestnenými na špici, ktoré sa pri nebezpečne silnom vetre vyklopia a zabraňujú vstupu prúdenia do stredovej časti. Druhou možnosťou chrániť turbínu je osadiť brzdu na axiálne a radiálne

SK 49-2021A3 koleso a znížiť otáčky. Samotná konštrukcia turbíny je svojím tvarom kompaktná, dutá tuhá oska spolu s kruhovými časťami plášťa sú vystužené lanami, všetky tvary častí konštrukcie sú uzavreté, čo znamená že sú ľahké a pevné. Všetky rotujúce časti sa nachádzajú vnútri konštrukcie, pričom sú zvonku neviditeľné.

Konštrukcia turbíny môže byť zavesená na lanách, alebo je osadená na pevnom stĺpe s možnosťou vodorovného otáčania podľa smeru vetra. Otáčanie zabezpečuje kruhová a plochá zvislá smerovka umiestnená na zadnej časti konštrukcie. Výhodou je možnosť zavesenia celej axiálno-radiálnej veternej turbíny na lano, čím sa získava väčšia variabilnosť umiestnenia turbíny a zníženie prenosu vibrácií na základy. Výhodou je použitie nenáročných a dostupných materiálov na zhotovenie a ľahká montáž axiálno-radiálnej veternej turbíny. Výhodou je konštrukcia, ktorá je priaznivá k životnému prostrediu, a ktorá nezaťažuje životné prostredie zabíjaním živých tvorov, hlukom a vibráciami z vysokých otáčok častí zariadení. Výhodou je možnosť umiestnenia vynálezu axiálno-radiálnej veternej turbíny na jestvujúce budovy a jestvujúce konštrukcie do mestského prostredia bližšie ku odberateľovi energie. Výhoda je vo využívaní veľmi silného vetra a nárazov vetra ako aj veľmi slabého prúdenia vzduchu. Výhoda je v jednoduchosti stavebnej realizácie bez použitia veľkých žeriavov a stavebných mechanizmov. Výhodou je aj ľahšia údržba oproti jestvujúcim vrtuľovým turbínam a neznehodnocovanie architektúry krajiny pri získavaní energie z vetra.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. č. 1 je v axonometrii schematicky zobrazená axiálno-radiálna veterná turbína. Je otočená z náveternej strany a je zavesená na lanovom systéme.

Na obr. č. 2 sú v pozdĺžnom reze zobrazené jednotlivé vnútorné časti turbíny.

Na obr. č. 3 sú v pohľade zobrazené hlavné vonkajšie časti axiálno-radiálnej veternej turbíny.

Na obr. č. 4je zobrazený pohľad spredu na axiálno-radiálnu veternú turbínu.

Na obr. č. 5 je zobrazený priečny rez axiálno-radiálnou veternou turbínou.

Na obr. č. 6 je zobrazený rez a pohľad na axiálne obežné koleso.

Na obr. č. 7 je zobrazený rez a pohľad na radiálne obežné koleso.

Na obr. č. 8 je v axonometrii schematicky zobrazená axiálno-radiálna veterná turbína. Je otočená z náveternej strany a je pripevnená otočné na pevnom stožiari.

Na obr. č. 9 je v pozdĺžnom reze zobrazený prúd vzduchu axiálno-radiálnou veternou turbínou.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Princíp vynálezu umožňuje postaviť axiálno-radiálne veterné turbíny rôznych veľkostí v závislosti na hmotnosti a pevnosti použitých materiálov na konštrukciu a podľa spôsobu umiestnenia a ukotvenia turbíny.

Príklad č. 1: Opis konštrukcie axiálno-radiálnej veternej turbíny zavesenej na nosnom lane napnutom medzi dvomi pevnými bodmi.

Základné konštrukčné časti axiálno-radiálnej veternej turbíny podľa funkcie sú tri a delia sa na nosné časti konštrukcie, ktoré zabezpečujú tvar a stabilitu, ďalej na roznášajúce plochy usmerňujúce prúdenie vzduchu a rotačné časti, ktoré zabezpečujú premenu sily pohybujúceho sa vzduchu na elektrickú energiu. Axiálnoradiálna veterná turbína je zavesená na nosnom lane 11 cez úchyty konštrukcie 10, ktoré sú pevne spojené cez lanká výstuhy 14 a pevné časti roznášajúceho plášťa 7 a uzatvárajúceho plášťa 8 s vodorovnou stacionárnou oskou 4. Cez úchyty konštrukcie 10 je pripevnená axiálno-radiálna veterná turbína lanami 11 aj v spodnej časti turbíny, aby sa zamedzil výkyv turbíny od pôsobiaceho prúdu vzduchu. K pevným nepohyblivým častiam turbíny patrí aj vpredu na vodorovnej stacionárnej oske 4 pripevnený špic 17, ktorý je stabilizovaný voči výkyvom lankami výstuhy 14, vzadu plochá zvislá smerovka 16 pripevnená na uzatvárajúci plášť 8 a na plochú zvislú smerovku 16 pripevnená kruhová smerovka 15. Poslednou pevnou časťou turbíny je valcový plášť 9, ktorý tvorí valcový obal turbíny v stredovej časti a je prichytený štyrmi úchytmi konštrukcie ku pevným častiam konštrukcie turbíny. V strednej časti turbíny sú inštalované rotačné časti turbíny. V strede turbíny na vodorovnej stacionárnej oske 4 je pripevnené cez dve ložiská 3 axiálne obežné koleso 1 a za ním s malou medzerou cez dve ložiská 3 radiálne obežné koleso 2. Medzi axiálnym obežným kolesom 1 a radiálnym obežným kolesom 2 je umiestnený generátor 13, a to statorom pripevnený ku axiálnemu obežnému kolesu 1 a rotorom pripevnený ku radiálnemu obežnému kolesu 2 alebo naopak, pričom stator má opačnú orientáciu otáčania ako rotor generátora 13. V prednej obvodovej časti turbíny je upevnený roznášajúci plášť 7, ktorý má tvar zrezaného dutého kužeľa, je orientovaný širšou časťou vzad a je pripevnený tyčovou konštrukciou 20

SK 49-2021 A3 ku uzatvárajúcemu plášťu 8 v miestach po obvode roznášajúceho plášťa 7, kde už nezasahuje radiálne obežné koleso a vpredu po obvode je pripevnený ku špicu konštrukcie 17 lankami výstuhy 14. V zadnej obvodovej časti turbíny je upevnený uzatvárajúci plášť 8, ktorý má tvar kužeľa, je orientovaný širšou časťou vpred a je pevne pripojený cez tyčovú konštrukciu 20 ku vodorovnej stacionárnej oske 4. Axiálno-radiálnu veternú turbínu obopína v stredovej časti turbíny valcový plášť 9, ktorý je odsunutý od roznášajúceho plášťa 7 a uzatvárajúceho plášťa 8 o vzduchovú obvodovú medzeru a je pripevnený ku telesu turbíny pomocou tyčovej konštrukcie 20. Na špici 17 sú pripevnené výklopné klapky 18, ktoré sa v prípade nebezpečne silného vetra odklápajú a škrtia množstvo vstupujúceho prúdu vzduchu do vnútorného priestoru turbíny.

Príklad č. 2: Opis konštrukcie axiálno-radiálnej veternej turbíny pripevnenej otočne na nosnom stožiari.

Opis konštrukcie axiálno-radiálnej veternej turbíny je taký istý ako je uvedený v príklade č. 1 s tým rozdielom, že axiálno-radiálna veterná turbína nie je zavesená na lanách 11 cez úchyty konštrukcie 10 ale je otočne pripevnená na stožiari 12.

Priemyselná využiteľnosť

Vynález axiálno-radiálnej veternej turbíny je možné využívať na premenu kinetickej energie vetra na mechanickú energiu ako hnaciu silu pre generátory. Priemyselná využiteľnosť spočíva hlavne v zásobovaní energetického priemyslu energiou z obnoviteľných zdrojov primárne pre výrobu elektrickej energie malospotrebiteľmi. Jedným z príkladov je návrh veternej elektrárne na obr. č. 1. Veľké využitie má tento vynález aj v zásobovaní lacnou elektrickou energiou pre rozrastajúci sa počet elektrických nabíjacích staníc pre elektromobilitu. Je vhodný aj do mestskej zástavby, lebo otáčavé časti nie sú viditeľné a nerušia a neohrozujú pri uvedení do chodu okolie.

SK 49-2021 A3

Zoznam vzťahových značiek

1 - axiálne obežné koleso 2 - radiálne obežné koleso	11 - laná 12 - stožiar
5 3 - ložisko	13 - generátor
4 - vodorovná stacionárna oska	14 - lanko výstuhy
5 - drážky axiálneho obežného kolesa	15 - kruhová smerovka
6 - lopatky radiálneho kolesa	16 - plochá zvislá smerovka
7 - roznášajúci plášť	17 - špic
10 8 - uzatvárajúci plášť	18 - výklopná klapka
9 - valcový plášť	19 - základ stožiara
10 - úchyty konštrukcie	20 - tyčová konštrukcia

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Axiálno-radiálna veterná turbína je zhotovená z jedného axiálneho obežného kolesa (1) a jedného radiálneho obežného kolesa (2), ktoré sú pripevnené cez ložiská (3) ku stredovej vodorovnej stacionárnej oske (4) pevne spojenej s roznášajúcim plášťom (7), s uzatváracím plášťom (8) a s valcovým plášťom (9) do spoločnej nosnej konštrukcie, ktorá je zavesená na lanách (11), alebo je otočne pripevnená na stožiari (12), vyznačujúca sa tým, že axiálne obežné koleso (1) je zhotovené ako plné teleso kužeľovitého tvaru so špicom obráteným ku prednému koncu vodorovnej stacionárnej osky (4) v smere prichádzajúceho vetra a na plášti axiálneho obežného kolesa (1) sú vytvorené drážky axiálneho obežného kolesa (5) v zakrivenom oblúkovitom tvare smerujúce od stredu axiálneho obežného kolesa (1) ku jeho okrajom a po obvode axiálneho obežného kolesa (1) je umiestnené radiálne obežné koleso (2) s lopatkami radiálneho kolesa (6) aerodynamického tvaru nasmerovanými kolmo oproti drážkam axiálneho obežného kolesa (1) a ku vodorovnej stacionárnej oske (4) je vpredu uchytený lankami výstuhy (14) kónický roznášajúci plášť (7) v tvare dutého zrezaného kužeľa a ku vodorovnej stacionárnej oske (4) je vzadu uchytený kónický uzatvárací plášť (8) v tvare kužeľa so špicom dozadu a okolo radiálneho obežného kolesa (2) je umiestnený valcový plášť (9) spojený pomocou tyčovej konštrukcie (20) s pevnými časťami turbíny, pričom medzi valcovým plášťom (9) a ostatnou konštrukciou turbíny je vytvorená vzduchová medzera a pomocou úchytov konštrukcie (10) je turbína zavesená na lanách (11) alebo je pripevnená ku stožiaru (12) a medzi axiálnym obežným kolesom (1) a radiálnym obežným kolesom (2) okolo stredovej stacionárnej osky (4) je umiestnený generátor (13) statorom pripevnený ku axiálnemu obežnému kolesu (1) a rotorom pripevnený ku radiálnemu obežnému kolesu (2) alebo naopak, pričom stator má opačnú orientáciu otáčania ako rotor a v zadnej časti turbíny je pripevnená kruhová smerovka (15) a plochá zvislá smerovka (16) a v prednej časti turbíny je umiestnený špic (17), na ktorom sú pripevnené výklopné klapky (18).