PL216521B1 - Elektrownia wiatrowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy łopaty wirnika elektrowni wiatrowej oraz elektrowni wiatrowej. Jeśli chodzi o stan techniki, należy tu zwrócić uwagę ogólnie na książkę Windkraftanlagen, Erich Hau, 1996. Książka ta zawiera pewne przykłady elektrowni wiatrowych, łopat wirnika takich elektrowni wiatrowych, jak również przekrojów takich łopat wirnika, należących do stanu techniki. Na stronie 102 fig. 5.34 przedstawia parametry profilu geometrycznego profili aerodynamicznych według NACA. W związku z tym widać, że łopata wirnika jest opisywana przez głębokość profilu, która odpowiada długości cięciwy, strzałkę ugięcia jako maksymalne wzniesienie linii szkieletowej nad cięciwą, zapas krzywizny, to znaczy usytuowanie miejsca wzdłuż głębokości profilu, gdzie strzałka ugięcia profilu łopaty wirnika jest największa, największą grubość profilu (zwane w polskiej literaturze jako po prostu grubość profilu) jako największą średnicę okręgu wpisanego ze środkiem na linii szkieletowej oraz zapas grubości, to znaczy usytuowanie miejsca wzdłuż głębokości profilu, w którym profil łopaty wirnika ma (największą) grubość profilu. Ponadto przy opisywaniu przekroju poprzecznego łopaty wirnika uwzględnia się promień krawędzi natarcia i współrzędne profilu po stronie spodniej i po stronie grzbietowej. W dalszym opisie przekroju poprzecznego wirnika według przedmiotowego zgłoszenia utrzymane jest nazewnictwo znane z wymienionej książki Ericha Hau.

W stanie techniki można również wskazać na przykład na opis patentowy US 4,773,824, w którym ujawniona jest elektrownia wiatrowa z gondolą, w której zamontowany jest obrotowo wał wirnika. Wirnik posiada piastę, która jest osadzona na wale i w której zamontowane są dwie łopaty, które są obrotowo regulowane za pomocą czopów. Piasta jest często zakończona (zamknięta) kopułą. Czopy są zamocowane w połączonych z piastą ramionach za pomocą powierzchni nośnych.

Łopaty wirnika nadają się do optymalizacji w wielu aspektach. Z jednej strony powinny być one ciche, zaś z drugiej strony powinny zapewniać również maksymalną moc dynamiczną, tak że nawet przy dość małym wietrze elektrownia wiatrowa zaczyna pracować, a nominalna prędkość wiatru, to znaczy prędkość, przy której po raz pierwszy osiągana jest moc nominalna elektrowni wiatrowej, osiągana jest już przy możliwie małej sile wiatru.

Gdy prędkość wiatru jest coraz większa, ustawia się, w elektrowniach wiatrowych z regulowanym nachyleniem, łopatę wirnika coraz bardziej do wiatru, tak że utrzymywana jest nadal nominalna moc, ale pole powierzchni roboczej łopaty wirnika w stosunku do wiatru maleje, aby chronić przez to całą elektrownię wiatrową lub jej części przed uszkodzeniem mechanicznym. Jest jednak istotne, by przypisywać duże znaczenie właściwościom aerodynamicznym profili łopat wirnika elektrowni wiatrowej.

Celem wynalazku jest opracowanie łopaty wirnika posiadającej określony profil oraz elektrowni wiatrowej, które zapewniają lepszą sprawność niż dotychczas.

Elektrownia wiatrowa zawierająca co najmniej jedną łopatę wirnika, która jest przymocowana do piasty wirnika oraz osłonę piasty, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na zewnątrz osłony piasty umieszczona jest część łopaty wirnika, która jest nieruchomo połączona z osłoną piasty, ale nie jest integralną częścią składową łopaty wirnika elektrowni wiatrowej.

Łopata wirnika ma korzystnie profil, którego zapas grubości mieści się w zakresie 15-40%, a grubość względna profilu wynosi 20-45%. Ponadto profil łopaty wirnika jest opisany przez linię szkieletową, której strzałka ugięcia wynosi 50-70%. Strzałka ugięcia profilu łopaty wirnika korzystnie wynosi

3-10%. Wymieniony profil znajduje się korzystnie wewnątrz obszaru jednej trzeciej długości łopaty wirnika, od strony złącza łopaty wirnika.

Łopata wirnika ma stronę odpowiadającą zwiększonemu ciśnieniu i stronę odpowiadającą zmniejszonemu ciśnieniu, przy czym strona odpowiadająca zwiększonemu ciśnieniu ma część z krzywizną wklęsłą, a po stronie odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu istnieje korzystnie część prawie prosta. Korzystnie jest, gdy profil części łopaty wirnika, która jest umieszczona na osłonie piasty, odpowiada profilowi części łopaty wirnika w rejonie nasady łopaty, sąsiadującym ze złączem do piasty. Korzystniej część łopaty wirnika, która jest umieszczona na osłonie piasty, jest nieruchoma względem łopaty wirnika i jest ustawiona tak, że w położeniu łopaty wirnika przy nominalnej oraz poniżej nominalnej prędkości wiatru jest ona usytuowana bezpośrednio przy odcinku powierzchni łopaty zwróconym w stronę piasty.

Elektrownia według wynalazku posiada wirnik, który ma co najmniej jedną łopatę wirnika, której największa głębokość profilu znajduje się korzystnie w rejonie piasty łopaty wirnika, przy czym stosunek głębokości profilu do średnicy wirnika ma wartość w zakresie 0,04-0,1. Korzystniej elektrownia zawiera maszynownię, która mieści generator i wirnik dołączony do tego generatora, przy czym wirnik

PL 216 521 B1 ten zawiera co najmniej dwie łopaty i ma piastę, która jest wyposażona w osłonę (kołpak śmigła), przy czym stosunek głębokości profilu łopaty wirnika do średnicy kołpaka śmigła jest większy niż 0,4, korzystnie w zakresie 0,5-1. Najkorzystniej elektrownia zawiera wirnik, który ma więcej niż jedną łopatę wirnika, przy czym łopata wirnika ma kształt trapezoidalny, który jest zbliżony do optymalnego kształtu aerodynamicznego tak, że łopata wirnika ma swą największą szerokość w rejonie nasady łopaty wirnika i krawędź nasady łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli elektrowni wiatrowej jest taka, że kształt tej krawędzi odwzorowuje zewnętrzny obrys gondoli (w kierunku wzdłużnym).

Krawędź łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli, w rejonie nasady jest korzystnie równoległa do zewnętrznego obrysu gondoli po obróceniu łopaty wirnika do ustawienia w chorągiewkę, zaś odstęp krawędzi łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli, i zewnętrznego obrysu gondoli w ustawieniu w chorągiewkę jest mniejszy niż 50 mm. Łopata wirnika, w rejonie nasady, jest korzystnie odchylona od głównej płaszczyzny łopaty.

Korzystnie jest, gdy łopata wirnika ma konstrukcję dwuczęściową w rejonie nasady, przy czym linia podziału przebiega w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika. Przy czym obie części łopaty wirnika są korzystniej dostosowane do mocowania do siebie dopiero tuż przed montażem łopaty wirnika w elektrowni wiatrowej. Najkorzystniej części łopaty wirnika są dostosowane do rozdzielania podczas transportu łopaty wirnika.

Jedna łopata wirnika ma stronę odpowiadającą zmniejszonemu ciśnieniu i stronę odpowiadającą zwiększonemu ciśnieniu, przy czym stosunek długości strony odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu do długości strony odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu jest korzystnie mniejszy niż 1,2.

Wynalazek jest przedstawiony poniżej na rysunkach, gdzie:

Fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny z przodu elektrowni wiatrowej według wynalazku,

Fig. 2 przedstawia widok perspektywiczny elektrowni wiatrowej według wynalazku z tyłu i z boku,

Fig. 3 przedstawia widok elektrowni wiatrowej według wynalazku z boku,

Fig. 4-8 przedstawiają widoki łopaty wirnika według wynalazku z różnych kierunków,

Fig. 9 przedstawia w powiększeniu widok elektrowni wiatrowej według wynalazku,

Fig. 10 przedstawia widok łopaty wirnika według wynalazku,

Fig. 11-17 i 19 przedstawiają różne widoki elektrowni wiatrowej według wynalazku, a

Fig. 18 przedstawia profil łopaty wirnika według wynalazku (w rejonie w pobliżu piasty).

Współrzędne x-y profilu pokazanego na fig. 18 podane są w tablicy 1 i opisują dokładnie profil łopaty wirnika według wynalazku.

Profil łopaty wirnika, opisany według niniejszego wynalazku, jest stosowany zwłaszcza w rejonie łopaty wirnika sąsiadującym z połączeniem łopaty wirnika z piastą. Korzystnie profil opisany według przedmiotowego zgłoszenia jest stosowany w jednej trzeciej długości łopaty wirnika. Całkowita długość łopaty wirnika może być w zakresie 10-70 m w zależności od nominalnej mocy elektrowni wiatrowej. Zatem przykładowo nominalna moc elektrowni wiatrowej z korporacji Enercon typu E-112 (średnica około 112 m) wynosi 4,5 MW, natomiast nominalna moc elektrowni wiatrowej z Enercon typu E-30 wynosi 300 kW.

Szczególnie charakterystyczne dla profilu łopaty wirnika według wynalazku jest to, że grubość profilu wynosi w przybliżeniu 25-40%, korzystnie 32-36% długości cięciwy łopaty wirnika. Na fig. 18 największa grubość profilu wynosi w przybliżeniu 34,6% długości C cięciwy 1 łopaty wirnika. Największa grubość została określona prostopadle do cięciwy 1. Na fig. 18 przedstawiono cięciwę 1, która odchodzi od środka 2 krawędzi spływu 3 łopaty wirnika do noska 4 profilu, czyli usytuowanego najbardziej z przodu punktu profilu, leżącego na krawędzi natarcia 5 łopaty wirnika. Zapas grubości, to znaczy miejsce związane z długością łopaty, gdzie grubość profilu jest największa (jest to liczony w % stosunek długości odcinka na cięciwie - od noska do prostej prostopadłej, gdzie grubość profilu jest największa - do długości cięciwy). Zapas grubości wynosi około 20-30% długości cięciwy, korzystnie 23-28%, a w przedstawionym przykładzie wynosi 25,9%.

Ponadto na fig. 18 przedstawiono linię szkieletową 7 profilu. Ta linia szkieletowa wynika z połowy grubości łopaty wirnika w danym punkcie. Zatem ta linia szkieletowa nie przebiega wzdłuż prostej, ale zawsze dokładnie pomiędzy usytuowanymi naprzeciw siebie punktami po stronie spodniej 9 łopaty wirnika odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu i po stronie grzbietowej 10 łopaty wirnika odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu. Linia szkieletowa 7 przecina cięciwę 1 w punkcie 2 przy krawędzi spływu łopaty wirnika i przy nosku 4 na krawędzi natarcia łopaty wirnika.

Zapas krzywizny łopaty wirnika według wynalazku w profilu wynosi 55-70% długości cięciwy, korzystnie 59-63%. W przedstawionym przykładzie zapas krzywizny wynosi w przybliżeniu 61,9%

PL 216 521 B1 długości cięciwy. W takim przypadku strzałka ugięcia wynosi około 4-8% długości cięciwy, korzystnie

5-7% długości cięciwy. W przedstawionym przykładzie strzałka ugięcia stanowi w przybliżeniu 5,87% długości cięciwy.

Ponadto, jeśli chodzi o profil łopaty wirnika według wynalazku, szczególnie uderzające jest to, że strona łopaty wirnika odpowiadająca zwiększonemu ciśnieniu przecina cięciwę 1 dwukrotnie w punkcie 12 i 13, to znaczy, że podczas, gdy obszar strony profilu odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu ma kształt wklęsły, przedni obszar profilu po stronie odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu ma kształt wypukły. W tym obszarze, gdzie strona odpowiadająca zwiększonemu ciśnieniu ma kształt wklęsły, w analogicznym obszarze usytuowanym przeciwległe po stronie odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu, ta ostatnia jest ograniczona linią prawie prostą.

Znane jest nadanie stronie odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu krzywizny wklęsłej lub nadanie stronie odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu granicy przebiegającej wzdłuż linii prostej. W szczególności kombinacja tych dwóch środków ma jednak wielkie znaczenie dla profilu łopaty wirnika według wynalazku i jest cechą charakterystyczną profilu łopaty wirnika według wynalazku.

Krawędź spływu łopaty wirnika, o przedstawionym wyżej profilu, jest również wyraźnie gruba. Nie powoduje to jednak żadnego problemu, jeśli chodzi o wytwarzanie dźwięku na tylnej krawędzi łopaty wirnika, ponieważ przedstawiony profil jest w wewnętrznej jednej trzeciej okręgu wirnika, gdzie prędkość obwodowa nie jest bardzo duża.

Aby polepszyć kształt aerodynamiczny łopaty wirnika, ma ona taką konstrukcję w rejonie nasady łopaty wirnika, że ma tu największą szerokość, a zatem łopata wirnika ma kształt trapezoidalny (w widoku z góry), który jest bardziej lub mniej zbliżony do optymalnego kształtu aerodynamicznego. Korzystnie w rejonie nasady łopaty wirnika łopata ma taki kształt, że krawędź nasady łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli elektrowni wiatrowej, jest dostosowana do zewnętrznego obrysu tej gondoli w co najmniej jednym położeniu kątowym, np. jest dostosowana w taki sposób, że bardzo mały odstęp, np. 5-100 mm, istnieje pomiędzy gondolą a krawędzią nasady łopaty wirnika, która jest zwrócona do elektrowni wiatrowej i do zewnętrznego obrysu gondoli, kiedy łopata wirnika jest usytuowana w nominalnym położeniu względem wiatru.

Łopata wirnika o podanych powyżej właściwościach zapewnia znacznie większy wzrost mocy, częściowo nawet o 10%. Dzięki takiemu zwiększeniu mocy, którego nie można było przewidzieć, elektrownia wiatrowa według wynalazku przy danej prędkości wiatru poniżej nominalnej prędkości wiatru osiąga większą moc wyjściową. Ponadto osiąga ona swą nominalną moc wyjściową wcześniej niż dotychczas. Łopaty wirnika mogą być również obracane (przestawiane) wcześniej, dzięki czemu z jednej strony maleje poziom emisji dźwięku, a z drugiej strony zmniejsza się obciążenie mechaniczne elektrowni.

Pod tym względem wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że kształt łopaty wirnika, pospolicie stosowany obecnie, jest badany w tunelu aerodynamicznym przy różnych prędkościach wiatru, ale zawsze przy równomiernym natężeniu przepływu powietrza. Jednakże w naturze wiatr wiejący równomiernie w sensie pola powierzchni jest najrzadszym przypadkiem, ponieważ rządzą tu raczej prawa prawdopodobieństwa, a na skutek podmuchów wiatru przepływ odrywa się od łopaty dokładnie w wewnętrznym obszarze łopaty w pobliżu piasty wirnika, gdzie łopata w rzeczywistości nie ma już kształtu czystego i optymalnego aerodynamicznie. Takie zjawisko odrywania się przepływu występuje na pewnym wymiarze wzdłuż łopaty wirnika w kierunku jej zewnętrznego rejonu (końcówki łopaty wirnika). Na skutek tego przepływ może oderwać się od łopaty wirnika w obszarze o kształcie pęcherza, co powoduje odpowiednie straty mocy. W przypadku przedmiotowego wynalazku i biorąc pod uwagę opisaną powyżej sytuację podstawową, możliwe jest osiągnięcie znacznego zwiększenia mocy wyjściowej przy stosowaniu łopaty wirnika mającej czystą konfigurację również w wewnętrznym obszarze łopaty wirnika.

Gdyby zastosować znany profil standardowy zamiast empirycznie określonego profilu, proponowanego według przedmiotowego zgłoszenia, wówczas do zapewnienia aerodynamicznie czystego kształtu łopaty wirnika potrzebna byłaby dwukrotnie większa głębokość C profilu (co odpowiada długości cięciwy łopaty wirnika) w części łopaty wirnika w pobliżu piasty. Duża grubość profilu w obszarze przednim jest jednak wymagana do pewnego i niezawodnego przenoszenia powstających obciążeń i do uzyskania współczynnika CZ siły nośnej większego niż 2.

Jak wynika ze stanu techniki, obecnie zwykle konstruuje się łopaty wirnika, które zapewniają możliwie największą oszczędność materiału w obszarze wewnętrznym. Typowe przykłady pod tym względem są przedstawione w stanie techniki, o którym już wspomniano powyżej, w publikacji WindPL 216 521 B1 kraftanlagen, Erich Hau, 1996 na stronach 114 i 115. Widać tu, że największą głębokość profilu osiąga się zawsze w pewnej odległości od złącza łopaty wirnika, czyli w obszarze bliskim połączeniu łopat wirnika, dzięki czemu uzyskuje się oszczędność materiału w takich łopatach wirnika według stanu techniki. Jeżeli jednak zastosuje się optymalny kształt, który jest zbliżony do kształtu trapezoidalnego w widoku z góry, wówczas największa szerokość łopaty wirnika nie jest przykładowo w pewnej odległości od dołączenia łopaty wirnika, ale dokładnie w samym miejscu złącza łopaty wirnika. Konstrukcja taka nie powoduje wtedy największej możliwej oszczędności materiału w wewnętrznym obszarze łopat wirnika.

Przyczyna poszukiwania oszczędności materiału w dotychczasowym trybie polega na statycznym sposobie rozważania warunków przepływu (jak opisano powyżej) przy obliczaniu/konstruowaniu łopat wirnika. Należy do tego dodać fakt, że aktualne programy obliczeniowe stosowane przy projektowaniu łopat wirnika dzielą łopatę wirnika na poszczególne odcinki i obliczają każdą część łopaty wirnika oddzielnie, aby na tej podstawie przeprowadzić ocenę całej łopaty wirnika.

Należy jednak zauważyć, że w rzeczywistości sprawy wyglądają nieco odmiennie. Z jednej strony wiatr nie wieje równomiernie i statycznie w danym obszarze pola powierzchni, ale wyraźnie wykazuje zachowanie o charakterze losowym, natomiast z drugiej strony ze względu na małą prędkość obwodową łopaty wirnika w obszarze wewnętrznym (to znaczy w pobliżu piasty wirnika) wpływ prędkości wiatru jest znaczny i odpowiednio kąt uderzenia zmienia się w tym obszarze z dużą zależnością od chwilowej prędkości wiatru. Na skutek tego szczególnie często występuje również odrywanie się przepływu od łopaty wirnika w tym obszarze łopaty wirnika.

W takiej sytuacji pojawia się zjawisko histerezy. Kiedy poprzednia prędkość wiatru powraca, to znaczy gdy minie podmuch wiatru, przepływ przy łopacie wirnika nie jest już taki sam. Po pierwsze, prędkość wiatru musi nadal maleć (kąt uderzenia musi zatem nadal zmieniać się), aż przepływ powróci do powierzchni łopaty wirnika. Jeżeli jednak prędkość wiatru nadal nie będzie maleć, może się zdarzyć, że po dłuższym czasie pomimo zapewnienia przepływu wiatru, na łopatę wirnika będzie wywierana odpowiednia siła, ponieważ przepływ jeszcze nie dotarł z powrotem do powierzchni łopaty wirnika.

Ryzyko oderwania się przepływu jest wyraźnie zmniejszone przy konstrukcji łopaty wirnika według wynalazku. Takie ryzyko oderwania jest również zmniejszane przez stosunkowo gruby profil. Znaczne zwiększenie mocy można wyjaśnić porównując zachowanie w przypadku łopat wirnika według stanu techniki, gdzie z powodu histerezy, jeżeli nastąpi już oderwanie przepływu, straty mocy utrzymują się przez znaczny czas.

Dalszą część zwiększenia mocy można wyjaśnić na podstawie tego, że wiatr przepływa drogą o najmniejszym oporze. Jeżeli więc łopata wirnika jest bardzo cienka w obszarze wewnętrznym w pobliżu piasty (duża oszczędność materiału), jest to równoważne dziurze poślizgowej w obszarze koła wirnika, przez który to otwór powietrze chętnie przepływa. W takim przypadku można z pewnością zobaczyć słabość pospolitych programów obliczeniowych, które zawsze oparte są na równomiernym rozkładzie na polu powierzchni koła wirnika.

Jeżeli teraz ta dziura poślizgowa jest zamknięta dzięki trapezoidalnemu kształtowi łopaty wirnika w obszarze w pobliżu piasty, spowoduje to lepsze rozłożenie przepływu powietrza na całej powierzchni kołowej, a zatem wzrośnie również nieco oddziaływanie na zewnętrzny obszar łopaty wirnika. Dlatego etap zamykania takiej dziury poślizgowej przyczynia się do zwiększenia mocy wyjściowej łopaty wirnika według wynalazku.

Jest to ponadto słaby punkt aktualnych programów obliczeniowych, ponieważ traktują one część łopaty wirnika bezpośrednio sąsiadującą z dziurą poślizgową jako w pełni wartościową część łopaty wirnika, jaką nie może ona być ze względu na szczególne warunki przepływu (częste przebicia przepływu i późniejsze przywracanie przewidzianych warunków przepływu).

Fig. 11-17 przedstawiają widok elektrowni wiatrowej według wynalazku od przodu lub z boku. Widać tu jak trzy łopaty wirnika mają prawie pozbawione spojenia przejście do zewnętrznego kształtu gondoli w obszarze łopaty w pobliżu piasty. Dotyczy to jednak tylko położenia łopat wirnika, gdy są one w nominalnym położeniu wobec wiatru.

Jeżeli wiatr następnie zwiększy się powyżej nominalnej siły wiatru, wówczas jak zwykle łopaty wirnika są powoli przekręcane od wiatru przez układ regulacji skoku, a fig. 15 pokazuje, że w takim przypadku rzeczywiście istnieje duży odstęp pomiędzy dolną krawędzią łopaty wirnika w obszarze wewnętrznym a gondolą. Fig. 15 i 17 pokazują wyraźnie, że również na zewnątrz gondoli umieszczona jest konstrukcja, która w swym przekroju poprzecznym zasadniczo odwzorowuje profil łopaty wirni6

PL 216 521 B1 ka w obszarze w pobliżu piasty, a która, kiedy łopata wirnika jest ustawiona pod określonym kątem natarcia przy prędkości nominalnej, znajduje się bezpośrednio przy odcinku powierzchni łopaty zwróconym w stronę piasty, tak że istnieje tylko niewielka szczelina pomiędzy tą konstrukcją a łopatą wirnika w obszarze w pobliżu piasty.

Zewnętrzny obrys gondoli zawiera również część łopaty wirnika, która nie jest integralną częścią składową łopaty wirnika.

W przypadku profilu łopaty wirnika pokazanego na fig. 18 promień linii grzbietowej (czyli po stronie podciśnieniowej) wynosi w przybliżeniu 0,146 głębokości C profilu.

Jak pokazano na fig. 18, po stronie odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu występuje dłuższy, prawie prosty obszar. Można go opisać przykładowo następująco: w obszarze 38-100% głębokości C profilu promień linii grzbietowej wynosi 1,19 głębokości C profilu. W obszarze 40-85% głębokości C profilu (patrz fig. 18) promień linii grzbietowej wynosi 2,44 głębokości C profilu. W obszarze 42 - 45% głębokości C profilu promień linii grzbietowej wynosi w przybliżeniu 5,56 głębokości C profilu.

W obszarze 36-100% głębokości C profilu maksymalne odchylenie od idealnej prostej wynosi w przybliżeniu 0,012 głębokości C profilu. Wartość ta jest ważną wartością, gdy promień krzywizny (linii grzbietowej) zmienia się, a największy promień krzywizny jest już określony w odpowiednich obszarach.

W przedstawionym przykładzie długość strony odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu wynosi w przybliżeniu 1,124 głębokości profilu, natomiast długość strony odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu wynosi 1,112 długości głębokości profilu. Oznacza to, że strona odpowiadająca zmniejszonemu ciśnieniu jest jedynie nieistotnie dłuższa niż strona odpowiadająca zwiększonemu ciśnieniu. Jest zatem bardzo korzystne, jeżeli stosunek długości strony odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu do długości strony odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu jest mniejszy niż 1,2, korzystnie jest mniejszy niż 1,1, albo w zakresie 1-1,03.

Na przedstawionych rysunkach widać, że łopata wirnika ma największą głębokość profilu bezpośrednio przy kołpaku śmigła, czyli na zewnątrz gondoli elektrowni wiatrowej. Przykładowo w przypadku elektrowni wiatrowej o średnicy wirnika 30 m głębokość profilu przy kołpaku śmigła wynosi 1,8-1,9 m korzystnie 1,84 m. Jeżeli kołpak śmigła ma wtedy średnicę w przybliżeniu 3,2 m, stosunek głębokości profilu łopaty wirnika przy kołpaku śmigła do średnicy kołpaka śmigła wynosi w przybliżeniu 0,575. Jest zatem bardzo korzystne, jeżeli stosunek głębokości profilu do średnicy kołpaka śmigła jest większy niż 0,4 lub w zakresie 0,5-1. W związku z tym można przyjąć każdą wartość w podanym wyżej zakresie. W przedstawionym powyżej przykładzie stosunek głębokości profilu do średnicy wirnika wynosi w przybliżeniu 0,061. Jest oczywiste, że dzięki temu dziura poślizgowa jest możliwie mała, jeżeli stosunek głębokości profilu do średnicy wirnika jest większy niż wartość w zakresie 0,05-0,01, przy czym szczególnie odpowiednia okazała się wartość podana tu przykładowo, jeśli chodzi o sprawność łopaty wirnika.

Innym przykładem byłaby łopata wirnika o przekroju poprzecznym profilu pokazanym na fig. 18 w pierwszej jednej trzeciej, gdzie głębokość profilu łopaty przy kołpaku śmigła wynosi w przybliżeniu 4,35 m, średnica kołpaka śmigła wynosi 5,4 m, a średnica wirnika wynosi 71 m. Wartość stosunku głębokości profilu do średnicy kołpaka śmigła wynosi 0,806, a wartość stosunku głębokości profilu do średnicy wirnika wynosi z kolei 0,061. Podane powyżej wartości dotyczą wirnika z trzema łopatami z regulacją skoku.

Jak opisano, w przypadku łopaty wirnika według wynalazku najszersze miejsce (miejsce o największej głębokości profilu) łopaty wirnika może być usytuowane bezpośrednio w obszarze złącza łopaty. Złącze łopaty jest obszarem, w którym łopata wirnika jest dołączona (np. przykręcona) do piasty elektrowni wiatrowej. Ponadto dolna krawędź łopaty wirnika, czyli krawędź, która jest zwrócona do gondoli elektrowni wiatrowej, jest bardzo dopasowana do zewnętrznego obrysu gondoli w kierunku wzdłużnym (odwzorowuje ten obrys). W takim przypadku, kiedy łopata wirnika jest w położeniu ustawionym w chorągiewkę (praktycznie nie ma już żadnego pola powierzchni zwróconego do wiatru), łopata wirnika jest równoległa do dolnej krawędzi, która jest zwrócona do gondoli, a odstęp pomiędzy dolną krawędzią a zewnętrznym konturem gondoli jest minimalny, korzystnie mniejszy niż 50 mm lub nawet lepiej mniejszy niż 20 mm.

Gdy taka łopata wirnika zostanie ustawiona do wiatru, ma maksymalne pole powierzchni nawet w bardzo bliskim obszarze łopaty wirnika („dziura poślizgowa” jest bardzo mała). W wymienionej wyżej publikacji Erich Hau podaje, że łopata wirnika według stanu techniki zmniejsza się regularnie w obszarze blisko piasty (łopaty wirnika mają tam mniejszą szerokość niż w swym najszerszym miejscu), naPL 216 521 B1 tomiast w przypadku łopaty wirnika według wynalazku najszersze miejsce jest usytuowane dokładnie w obszarze bliskim piasty, tak że w tym miejscu siła wiatru może być również w najlepszym stopniu wykorzystana.

Jak wiadomo, jest tak dokładnie wtedy, gdy mamy do czynienia z bardzo dużymi łopatami wirnika, kiedy mają one bardzo dużą szerokość w obszarze przy piaście. Takie łopaty wirnika mogą być jeszcze transportowane (w przypadku dużych łopat wirnika, to znaczy łopat wirnika o długości większej niż 30 m, szerokość łopaty wirnika w obszarze przy piaście może wynosić 5-8 m). Łopata wirnika może mieć również konstrukcję dwuczęściową, a wtedy dwie części rozdzielane są na czas transportu i można je zmontować razem po przewiezieniu. W tym celu te dwie części są łączone ze sobą przed montażem na elektrowni wiatrowej, np. za pomocą połączeń śrubowych i połączeń nierozłączalnych (za pomocą kleju). Nie stanowi to żadnego problemu zwłaszcza wtedy, gdy mamy do czynienia z dużymi łopatami wirnika, ponieważ ze względu na ich wielkość takie łopaty wirnika są również dostępne od wewnątrz przy montowaniu ich, tak że otrzymuje się łopatę wirnika o jednolitym wyglądzie z zewnątrz, a linie łączenia części ze sobą są ledwie widoczne lub w ogóle niewidoczne.

Jak wykazują początkowe pomiary, konstrukcja łopaty wirnika według wynalazku może znacznie zwiększyć sprawność w porównaniu z dotychczasowymi łopatami wirnika.

Jak pokazano na fig. 1-17, w przypadku wiatrowej elektrowni według wynalazku łopaty wirnika mają taką konstrukcję, że mają one swą największą głębokość profilu w obszarze w pobliżu piasty, a ponadto te łopaty wirnika wzdłuż całego swego profilu są przesunięte w obszar w pobliżu piasty, by były bardzo blisko osłony gondoli (kołpaka śmigła) maszynowni elektrowni wiatrowej. Odnosi się to odpowiednio przynajmniej do położenia, w którym łopata wirnika ustawia się względem wiatru takim kątem natarcia, który jest dostosowany do prędkości wiatru zgodnie z nominalnym zakresem wiatru, wtedy istnieje bardzo mały odstęp od osłony gondoli. W widoku pokazanym np. na fig. 1, 2 i 3 łopaty wirnika są również przesunięte bardzo blisko zewnętrznej osłony gondoli tylną częścią swego profilu, a w alternatywnym przykładzie wykonania, przedstawionym np. na fig. 11-17, zewnętrzna osłona gondoli jest utworzona przez część 30 samej łopaty wirnika, która jednakże nie stanowi integralnej części składowej całej łopaty wirnika. Zwłaszcza na fig. 15 i 17 wyraźnie widać, że część łopaty wirnika, która jest usytuowana na zewnątrz gondoli, jest do niej przymocowana i jest umieszczona pod pewnym kątem, odpowiadającym położeniu kątowemu łopaty wirnika, aż do nominalnej prędkości wiatru, to znaczy przynajmniej przy prędkościach wiatru, aż do wartości nominalnej istnieje minimalna szczelina pomiędzy dolną krawędzią łopaty wirnika, nawet w tylnym obszarze głębokości profilu, a gondolą.

Z fig. 19 wyraźnie widać, że istnieje tylko całkiem niewielka dziura poślizgowa dla wiatru dzięki konstrukcji według wynalazku łopat wirnika w środku wirnika.

Fig. 18 przedstawia przekrój poprzeczny łopaty wirnika według wynalazku wzdłuż linii A-A z fig. 17, czyli profil łopaty wirnika w obszarze w pobliżu piasty.

Fig. 17 zawiera również wskazówkę, jak należy rozumieć średnicę D kołpaka śmigła.

Średnica wirnika jest wyznaczona przez średnicę kołowego obszaru przykrywanego przez wirnik podczas jego obrotu.

Jak pokazano na fig. 15 i na innych rysunkach, część 30 łopaty wirnika, która nie jest integralną częścią składową obrotowej łopaty wirnika, jest integralną częścią składową zewnętrznej osłony gondoli. Odpowiednia część może być przykręcona do gondoli, albo może być też przyklejona lub dołączona w jednym kawałku do gondoli.

Claims (18)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Elektrownia wiatrowa zawierająca co najmniej jedną łopatę wirnika, która jest przymocowana do piasty wirnika oraz osłonę piasty, znamienna tym, że na zewnątrz osłony piasty umieszczona jest część (30) łopaty wirnika, która jest nieruchomo połączona z osłoną piasty, ale nie jest integralną częścią składową łopaty wirnika elektrowni wiatrowej.
2. 2. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że łopata wirnika ma profil, którego zapas grubości mieści się w zakresie 15-40%, a grubość względna profilu wynosi 20-45%.
3. 3. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że profil łopaty wirnika jest opisany przez linię szkieletową, której strzałka ugięcia wynosi 50-70%.
4. 4. Elektrownia według zastrz. 3, znamienna tym, że strzałka ugięcia profilu łopaty wirnika wynosi 3-10%.

   PL 216 521 B1
5. 5. Elektrownia według zastrz. 2 albo 3, albo 4, znamienna tym, że profil łopaty wirnika o cechach wymienionych w zastrz. 2, 3, 4 znajduje się wewnątrz obszaru jednej trzeciej długości łopaty wirnika, od strony złącza łopaty wirnika.
6. 6. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że łopata wirnika ma stronę odpowiadającą zwiększonemu ciśnieniu i stronę odpowiadającą zmniejszonemu ciśnieniu, przy czym strona odpowiadająca zwiększonemu ciśnieniu ma część z krzywizną wklęsłą, a po stronie odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu istnieje część prawie prosta.
7. 7. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że profil części (30) łopaty wirnika, która jest umieszczona na osłonie piasty, odpowiada profilowi części łopaty wirnika w rejonie nasady łopaty, sąsiadującym ze złączem do piasty.
8. 8. Elektrownia według zastrz. 7, znamienna tym, że część (30) łopaty wirnika, która jest umieszczona na osłonie piasty, jest nieruchoma względem łopaty wirnika i jest ustawiona tak, że w położeniu łopaty wirnika przy nominalnej oraz poniżej nominalnej prędkości wiatru jest ona usytuowana bezpośrednio przy odcinku powierzchni łopaty zwróconym w stronę piasty.
9. 9. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada wirnik, który ma co najmniej jedną łopatę wirnika, której największa głębokość profilu znajduje się w rejonie piasty łopaty wirnika, przy czym stosunek głębokości profilu do średnicy wirnika ma wartość w zakresie 0,04-0,1.
10. 10. Elektrownia według zastrz. 9, znamienna tym, że zawiera maszynownię, która mieści generator i wirnik dołączony do tego generatora, przy czym wirnik ten zawiera co najmniej dwie łopaty i ma piastę, która jest wyposażona w osłonę (kołpak śmigła), przy czym stosunek głębokości profilu łopaty wirnika do średnicy kołpaka śmigła jest większy niż 0,4, korzystnie w zakresie 0,5-1.
11. 11. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera wirnik, który ma więcej niż jedną łopatę wirnika, przy czym łopata wirnika ma kształt trapezoidalny, który jest zbliżony do optymalnego kształtu aerodynamicznego tak, że łopata wirnika ma swą największą szerokość w rejonie nasady łopaty wirnika i krawędź nasady łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli elektrowni wiatrowej jest taki, że kształt tej krawędzi odwzorowuje zewnętrzny obrys gondoli (w kierunku wzdłużnym).
12. 12. Elektrownia według zastrz. 11, znamienna tym, że krawędź łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli, w rejonie nasady jest równoległa do zewnętrznego obrysu gondoli po obróceniu łopaty wirnika do ustawienia w chorągiewkę.
13. 13. Elektrownia według zastrz. 12, znamienna tym, że odstęp krawędzi łopaty wirnika, która jest zwrócona do gondoli, i zewnętrznego obrysu gondoli w ustawieniu w chorągiewkę jest mniejszy niż 50 mm.
14. 14. Elektrownia według zastrz. 9 albo 10, znamienna tym, że łopata wirnika, w rejonie nasady, jest odchylona od głównej płaszczyzny łopaty.
15. 15. Elektrownia według zastrz. 10, znamienna tym, że łopata wirnika ma konstrukcję dwuczęściową w rejonie nasady, przy czym linia podziału przebiega w kierunku wzdłużnym łopaty wirnika.
16. 16. Elektrownia według zastrz. 15, znamienna tym, że obie części łopaty wirnika są dostosowane do mocowania do siebie dopiero tuż przed montażem łopaty wirnika w elektrowni wiatrowej.
17. 17. Elektrownia według zastrz. 15 albo 16, znamienna tym, że części łopaty wirnika są dostosowane do rozdzielania podczas transportu łopaty wirnika.
18. 18. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że ma co najmniej jedną łopatę wirnika, która ma stronę odpowiadającą zmniejszonemu ciśnieniu i stronę odpowiadającą zwiększonemu ciśnieniu, przy czym stosunek długości strony odpowiadającej zmniejszonemu ciśnieniu do długości strony odpowiadającej zwiększonemu ciśnieniu jest mniejszy niż 1,2.