PL229846B1 - Dyfuzor powietrza do segmentu turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie konstrukcji dyfuzora powietrza do segmentu turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, umożliwiającego zwiększenie sprawności i wydajności turbiny. Dyfuzor (1) stanowi powtarzalny element zintegrowany z segmentem (3). Jest on utworzony przez górną połać (11) i dolną połać (12), pomiędzy którymi znajdują się łukowo wyprofilowane ściany, rozchodzące się promieniście od rurowych rozpórek podstaw obudowy wirnika do połączonych z nimi na przeciwnych końcach rurami zewnętrznych nośnych słupów. Mniej więcej pośrodku swej długości łukowo wyprofilowane ściany są przymocowane do rur środkowych nośnych słupów, ponadto pomiędzy łukowo wyprofilowanymi ścianami, górną połacią (11) i dolną połacią (12) są utworzone jednakowej wielkości połaciowe części, stanowiące dolotowe kanały kierunkowych dysz o przekroju prostokąta, którego szerokość maleje ku wylotowi na łopaty wirnika.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dyfuzor powietrza do segmentu turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, stanowiący powtarzalny element składowy segmentów wieży turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, gdzie energia wiatru jest przenoszona z łopat wirnika przez oś pionową i sprzęgła na przekładnię, a następnie na wał generatora prądu, połączony z odbiornikiem prądu.

Ze zgłoszenia polskiego wynalazku za nr P-405 415, znana jest wielosegmentowa turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu.

Turbina ta składa się z odrębnych turbin-segmentów, gdzie co najmniej jeden segment jest wyposażony w co najmniej jeden dodatkowy wieniec i nadstawki. Do wieńca albo do nadstawek znajdujących się poniżej jest przymocowany wieniec zestawiony z ośmiu płatów oraz z ośmiu dolnych i ośmiu górnych osłon, tworzących zamkniętą strukturę. Ze względu na konstrukcję opisana turbina wyróżnia się niewystarczającą sprawnością.

Z opisu polskiego wynalazku, chronionego patentem nr PL 218 391, znana jest siłownia wiatrowa o pionowej osi obrotu. Jej dyfuzor jest powtarzalnym elementem montowanym współosiowo z wirnikiem na pionowym wale, jeden dyfuzor nad drugim.

Poszczególne segmenty turbiny mają wirnik wyposażony w górną i dolną podstawę. Piasty są osadzone na osi, na nośnych słupach segmentów, połączonych z mocowaniami zakotwionymi w podstawie. Dyfuzory mają połacie i rozmieszczone pomiędzy nimi kierownice. Pośrodku niektórych kierownic są rury nośnych słupów. Kierownice wraz z fragmentami poziomych połaci tworzą dolotowe kanały o przekroju prostokątnym.

Z opisu wynalazku chronionego patentem nr PL 218 633, znany jest silnik wiatrowy. Ma on łukowo wyprofilowane kierownice oparte na rurowych rozpórkach, na końcach bliższych osi turbiny, a także na zewnętrznych nośnych słupach.

Celem rozwiązania jest opracowanie konstrukcji dyfuzora powietrza, współpracującego z segmentem turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, umożliwiającego wyeliminowanie dotychczasowych niedogodności i opracowanie budowy dyfuzora pozwalającego na zwiększenie sprawności i wydajności turbiny.

Dyfuzor, zgodnie z rozwiązaniem jest powtarzalnym elementem składowym turbiny wiatrowej o budowie segmentowej i o pionowej osi obrotu. Dyfuzory, według wynalazku są montowane współosiowo z segmentami turbiny na pionowym wale, jeden nad drugim. Każdy segment turbiny wiatrowej składa się z obudowy wirnika, którą tworzą górna podstawa i dolna podstawa o zarysie koła, z wmontowanymi pomiędzy tymi podstawami rurowymi rozpórkami oraz piastami osadzonymi osiowo w podstawach osi wirnika. Wewnątrz obudowy zamontowany jest wirnik z łopatami, którego pionowy wał na końcach ma złącza elementów sprzęgowych. Obudowa wirnika jest zainstalowana na nośnych słupach segmentów, połączonych z mocowaniami zakotwionymi w żelbetowej podstawie wieży, rozmieszczonymi promieniście wokół osi turbiny. Nośne słupy segmentów umożliwiają nadbudowywanie kolejnych segmentów.

Istotę wynalazku stanowi konstrukcja dyfuzora mocowanego do segmentu turbiny wiatrowej, środkową częścią zintegrowanego z obudową wirnika za pomocą rurowych rozpórek, trwale przymocowanych do górnej i do dolnej pokrywy obudowy wirnika. Rozpórki te są rozmieszczone na obwodzie, wzdłuż linii wyznaczonej przez zewnętrzny zarys obracającego się wirnika. Górna podstawa obudowy wirnika i dolna podstawa obudowy wirnika mają zarys koła. Dyfuzor tworzy górna połać i dolna połać z zamocowanymi pomiędzy nimi łukowo wyprofilowanymi ścianami. Ściany dyfuzora od strony zewnętrznego obwodu są przymocowane do rur zewnętrznych nośnych słupów, rozmieszczonych równomiernie na obwodzie, połączonych z mocowaniami zakotwionymi w żelbetowej podstawie wieży, stanowiącej fundament. Pośrodku swej długości ściany dyfuzora są przymocowane do rur środkowych nośnych słupów, również połączonych z mocowaniami zakotwionymi w żelbetowej podstawie wieży. Natomiast od strony wylotu na łopaty wirnika, ściany dyfuzora są przymocowane do rurowych rozpórek pomiędzy podstawami obudowy wirnika.

Łukowo wyprofilowane ściany dyfuzora, rozchodzące się promieniście od rurowych rozpórek obudowy wirnika ku zewnętrznym nośnym słupom, dzielą wewnętrzną przestrzeń dyfuzora na jednakowej wielkości połaciowe części. Wszystkie połaciowe części dyfuzora mają ten sam kształt i wymiar. Połaciowe części ograniczone są po bokach łukowo wyprofilowanymi ścianami dyfuzora, zaś od góry i u dołu powierzchnią górnej połaci i dolnej połaci. Połaciowe części tworzą dolotowe kanały kierunkowych dysz o przekroju prostokąta. Szerokość przekroju kierunkowych dysz maleje ku wylotowi na łopaty silnika.

Promień krzywizny ścian dyfuzora odpowiada odcinkowi obwodu koła o średnicy równej sumie dwukrotnej średnicy wirnika i dwukrotnej średnicy łopat wirnika, ukształtowanych w formie półkoli

PL 229 846 B1 w przekroju poprzecznym. Średnica łopat wynosi 1/5 średnicy wirnika. Rozwartość kąta pomiędzy stycznymi do kierunkowych dysz wynosi od 12° do 16°. Szerokość prostokątnego przekroju kierunkowych dysz na wylocie na łopaty wirnika nie przekracza długości średnicy łopat wirnika. Wysokość kierunkowych dysz dyfuzora odpowiada odległości pomiędzy pokrywami obudowy wirnika, przy czym odległość ta jest mniejsza lub równa odcinkowi odpowiadającemu 1,5 średnicy wirnika.

Ściany dyfuzora są połączone z górną i z dolną połacią dyfuzora górnymi i dolnymi krawędziami, przymocowanymi do górnej i do dolnej połaci za pomocą złączeniowych elementów, wyprofilowanych łukowo, mających w przekroju poprzecznym zarys kątownika. Promień krzywizn złączeniowych elementów jest równy promieniowi krzywizn ścian dyfuzora.

Pionowe krawędzie ścian dyfuzora od strony wirnika są połączone z pionowymi rurowymi rozpórkami obudowy wirnika, zaś po przeciwnej stronie z rurami zewnętrznych nośnych słupów. Krawędzie tych połączeń są zaokrąglone, co umożliwia zminimalizowanie efektu krawędziowego.

Liczbę dolotowych dysz można dowolnie kształtować liczbą łukowo wyprofilowanych ścian dyfuzora, dostosowując tym samym urządzenie do aktualnych wymogów technicznych i eksploatacyjnych. Krzywizna ścianek dyfuzora jest tak dobrana, aby kąt zakrzywienia strugi powietrza był w przedziale 12-16 stopni, korzystnie 15 stopni.

Nad górną połacią dyfuzora, w wolnej przestrzeni pomiędzy kolejnym, montowanym na nim dyfuzorem, są zamontowane usztywniające, poziome dźwigary z krzyżującymi się żebrami. Żebra łączą najbliżej siebie położone, rury zewnętrznych nośnych słupów z rurami nośnych środkowych słupów, tworząc poziomy, powtarzalny układ dźwigarów na zewnętrznym obwodzie dyfuzora. Usztywniające, poziome dźwigary nadają szkieletowej konstrukcji dyfuzora sztywność i zabezpieczają urządzenie przed naporem bocznego wiatru.

Odpowiednio łukowo wyprofilowane ścianki, tworzące zwężające się ku wylotowi dolotowe dysze zapewniają wzrost wydajności turbiny w stosunku do wcześniej znanych rozwiązań, dzięki uzyskaniu na wyjściu dolotowej dyszy zwiększenia objętości i prędkości powietrza od 40 do 90%. Zaokrąglone obrzeża na wylocie dysz pozwalają zminimalizować efekt krawędziowy i tym samym zapewnić turbinie jeszcze większą sprawność.

Rozwiązanie, zgodnie z wynalazkiem wyróżnia się sztywnością, stabilnością, odpornością na odchyły od osi pionowej spowodowane podmuchami wiatru. Stabilność konstrukcji zapewnia połączenie nośnych słupów zewnętrznych, nośnych słupów środkowych oraz nośnych słupów segmentów z mocowaniami zakotwionymi w żelbetowej podstawie wieży. Mocowania te odznaczają się ma sywnością, dużą wytrzymałością mechaniczną. Mają one postać masywnych stalowych trzpieni lub grubościennych blach, trwale połączonych z kotwami. O sztywności urządzenia i jego odporności na odchyły decyduje również sposób mocowania kolejnych elementów nośnych słupów, mających postać rur. Rury te są ze sobą łączone za pomocą trzpieni montowanych w gniazdach „na wcisk”, przy czym tak utworzone połączenia są zespalane za pomocą poprzecznie instalowanych śrub.

Dyfuzor, zgodnie z rozwiązaniem dzięki dającym się demontować elementom składowym jest łatwy do przewiezienia transportem kołowym na stanowisko pracy i zamontowania. Realizacja wynalazku umożliwia uzyskanie na wylocie na łopaty wirnika zwiększonej masy i prędkości powietrza proporcjonalnie do prędkości wiatru. Zastosowanie w rozwiązaniu dźwigarów z usztywniającymi żebrami zapewnia urządzeniu sztywność, stabilność mimo naporu wiatru. Segmentowa budowa nośnych słupów pozwala na nadbudowywanie kolejnych segmentów z zachowaniem pewności co do bezpieczeństwa budowli.

Przedmiot wynalazku został zaprezentowany na załączonym rysunku, na którym fig. 1 - pokazuje dyfuzor w widoku ogólnym, fig. 2 - ilustruje dyfuzor w widoku ogólnym, bez połaci górnej z uwidocznieniem krzywizn łukowo wyprofilowanych ścian dyfuzora i zmieniającego się kształtu dolotowych dysz, na odcinku od wlotu do wylotu na łopaty wirnika, fig. 3 - pokazuje dyfuzor w widoku z boku, fig. 4 - dyfuzor w przekroju poprzecznym A-A wraz ze szczegółem, fig. 5 - żelbetową podstawę wieży turbiny z uwidocznionymi, zakotwionymi w niej mocowaniami nośnych słupów, fig. 6 - pokazuje szczegół mocowania górnej i dolnej połaci ze ścianą dyfuzora za pomocą złączeniowych elementów, fig. 7 - połączenie rur nośnych słupów.

Dyfuzor powietrza do segmentu turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, według wynalazku stanowi jej powtarzalny element. Dyfuzory 1, zgodnie z rozwiązaniem są montowane współosiowo do pionowego wału 2 segmentu 3 turbiny, jeden nad drugim. Każdy segment 3 turbiny wiatrowej składa się z obudowy 4 wirnika 5. Obudowę 4 tworzą górna podstawa i dolna podstawa o zarysie koła, z wmontowanymi pomiędzy tymi podstawami rurowymi rozpórkami 6 oraz piastami osadzonymi osiowo na tych podstawach. Wewnątrz obudowy 4, w piastach na osi 7 osadzony jest pionowy wał 2 z końcówkami

PL 229 846 B1 do połączeń sprzęgłowych, z którym jest połączony wirnik 5 wraz z wyposażeniem. Obudowa 4 wirnika 5 jest zainstalowana na nośnych słupach 8 segmentów 3, połączonych z mocowaniami 9 zakotwionymi w żelbetowej podstawie 10 wieży, wokół osi 7. Żelbetowa podstawa 10 stanowi fundament turbiny. Dyfuzor 1 jest zintegrowany z obudową 4 wirnika 5 za pomocą rurowych rozpórek 6, trwale przymocowanych do górnej i do dolnej podstawy obudowy 4 wirnika 5. Rurowe rozpórki 6 są rozmieszczone na obwodzie podstaw obudowy 4, wzdłuż linii wyznaczonej przez zewnętrzny zarys obracającego się wirnika 5. Podstawy obudowy 4 wirnika 5 mają zarys koła.

Dyfuzor 1 tworzy górna połać 11 i dolna połać 12 z przymocowanymi do nich łukowo wyprofilowanymi szesnastoma ścianami 13. Ściany 13 dyfuzora 1 od strony zewnętrznego obwodu są przymocowane do rur zewnętrznych nośnych słupów 8', rozmieszczonych w równych odstępach jeden od drugiego na obwodzie, przy czym najniżej usytuowane rury są połączone z mocowaniami 9', zakotwionymi w żelbetowej podstawie 10 wieży, stanowiącej fundament. Pośrodku swej długości łukowo wyprofilowane ściany 13 dyfuzora 1 są przymocowane do rur środkowych nośnych słupów 8'', z których najniżej położone są połączone z mocowaniami 9, zakotwionymi w żelbetowej podstawie 10 wieży. Od strony wylotu na łopaty 14 wirnika 5 łukowo wyprofilowane ściany 13 są połączone z rurowymi rozpórkami 6 pomiędzy podstawami, górną i dolną obudowy 4 wirnika 5. Łopaty 14 w przekroju poprzecznym mają zarys półkoli.

Łukowo wyprofilowane ściany 13, rozchodząc się promieniście od rurowych rozpórek 6 obudowy 4 wirnika 5 ku zewnętrznym nośnym słupom 8', dzielą wewnętrzną przestrzeń dyfuzora 1 na jednakowej wielkości połaciowe części 15 o tym samym kształcie. Połaciowe części 15 ograniczone są po bokach łukowo wyprofilowanymi ścianami 13, zaś od góry górną połacią 11, natomiast u dołu dolną połacią 12. Połaciowe części 15 tworzą dolotowe kanały kierunkowych dysz 16 o przekroju prostokąta. Szerokość przekroju kierunkowych dysz 16 maleje ku wylotowi na łopaty 14 wirnika 5.

Promień R krzywizny ścian 13 dyfuzora 1 odpowiada odcinkowi obwodu koła o średnicy równej sumie dwukrotnej średnicy Sw wirnika 5 i dwukrotnej średnicy Sł łopat 14 wirnika 5, przy czym średnica Sł łopat 14 stanowi 1/5 średnicy Sw wirnika 5. Kąt a rozwartości stycznych do kierunkowych dysz 16 wynosi 15°. Szerokość prostokątnego przekroju kierunkowych dysz 16 na wylocie na łopaty 14 wirnika 5 nie przekracza długości średnicy Sł łopat 14 wirnika 5. Wysokość kierunkowych dysz 16 dyfuzora 1 odpowiada odległości pomiędzy podstawami obudowy 4 wirnika 5, przy czym odległość ta jest równa odcinkowi odpowiadającemu 1,5 średnicy Sw wirnika 5.

Ściany 13 dyfuzora 1 są połączone z górną połacią 11 górnymi krawędziami i z dolną połacią 12 dolnymi krawędziami za pomocą łukowo wyprofilowanych złączeniowych elementów 17, które w przekroju poprzecznym mają zarys kątownika. Promienie krzywizny złączeniowych elementów 17 odpowiadają promieniowi R krzywizn ścian 13 dyfuzora 1. Pionowe krawędzie ścian 13 dyfuzora 1 od strony wirnika 5 są połączone z rurowymi rozpórkami 6 obudowy 4 wirnika 5, zaś po przeciwnej stronie z rurami zewnętrznych nośnych słupów 8'. Krawędzie połączeń ścian 13 z rurowymi rozpórkami 6 i z rurami zewnętrznych nośnych słupów 8' są zaokrąglone w celu zminimalizowania efektu krawędziowego na wlocie i wylocie.

Ściany 13 dyfuzora 1 pośrodku swej długości są przymocowane do usztywniających je rur środkowych nośnych słupów 8, z których najniżej położone są połączone z mocowaniami 9'' w postaci metalowych grubościennych blach, trwale połączonymi z kotwami osadzonymi w żelbetowej podstawie 10.

Nad górną połacią 11 dyfuzora 1, w wolnej przestrzeni pomiędzy kolejnym, umieszczonym powyżej dyfuzorem 1, są zamontowane poziome, kratowe dźwigary 18. Żebra 18' poziomych dźwigarów 18 są skrzyżowane i łączą rury zewnętrznych nośnych słupów 8' z nośnymi środkowymi słupami 8'' segmentów 2, tworząc poziomy, powtarzalny układ dźwigarów 18 na zewnętrznym obwodzie dyfuzora 1.

Mocowania 9 nośnych słupów 8 segmentów 3 są zakotwione w żelbetowej podstawie 10 i usytuowane w pobliżu osi 7, natomiast mocowania zewnętrznych nośnych słupów 8' są rozmieszczone wzdłuż okręgu najbardziej oddalonego od osi 7, a pomiędzy nimi znajdują się mocowania 9'' środkowych nośnych słupów 8. Poszczególne dyfuzory 1 turbiny wiatrowej, montowane jeden na drugim, wsparte są za pośrednictwem nośnych słupów 8, zewnętrznych nośnych słupów 8' i środkowych nośnych słupów 8 na mocowaniach 9, 9' i 9 zakotwionych w żelbetowej podstawie 10 i łączone jeden z drugim za pomocą połączeń, które tworzą gniazda 19 z montowanymi w nich „na wcisk” trzpieniami 20. Tak utworzone połączenie jest skręcane poprzecznie śrubami 21.

Claims (7)

1. Dyfuzor powietrza do segmentu turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu, stanowiący powtarzalny element turbiny, montowany współosiowo z segmentami turbiny na pionowym wale, jeden nad drugim, gdzie każdy segment turbiny zawiera obudowę wirnika z górną i dolną podstawą, piastami osadzonymi osiowo na osi wirnika z łopatami, a obudowa wirnika jest zainstalowana na nośnych słupach segmentów, połączonych z mocowaniami zakotwionymi w żelbetowej podstawie wieży, zintegrowanej z segmentem, utworzonym przez górną połać i dolną połać, pomiędzy którymi są zainstalowane łukowo wyprofilowane ściany, rozchodzące się promieniście od rurowych rozpórek podstaw obudowy wirnika do połączonych z nimi na przeciwnych końcach rur, zewnętrznych nośnych słupów, a szerokość dolotowych kanałów maleje ku wylotowi na łopaty wirnika, znamienny tym, że pośrodku swej długości łukowo wyprofilowane ściany (13) są przymocowane do rur środkowych nośnych słupów (8) i pomiędzy łukowo wyprofilowanymi ścianami (13), górną połacią (11) i dolną połacią (12) są utworzone jednakowej wielkości połaciowe części (15), stanowiące dolotowe kanały kierunkowych dysz (16) o przekroju prostokąta, a promień (R) krzywizny ścian (13) jest równy odcinkowi obwodu koła o średnicy równej sumie dwukrotnej średnicy (Sw) wirnika (5) i dwukrotnej średnicy (Sł) łopat (14), a średnica (Sł) łopat (14) stanowi 1/5 średnicy wirnika (5), zaś krawędzie połączeń ścian (13) z rurowymi rozpórkami (6) i z rurami zewnętrznych nośnych słupów (8') są zaokrąglone, przy czym łopaty (14) w przekroju poprzecznym mają zarys półkoli.

2. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt (a) rozwartości stycznych do kierunkowych dysz (16) wynosi 13-16°, a szerokość prostokątnego przekroju kierunkowych dysz (16) na wylocie na łopaty (14) nie przekracza długości średnicy (Sł) łopat (14) wirnika (5).

3. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokość kierunkowych dysz (16) równa jest odległości pomiędzy podstawami jest obudowy (4) wirnika (5), przy czym odległość ta jest mniejsza lub równa długości odcinka odpowiadającego 1,5 średnicy (Sw) wirnika (5).

4. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że ściany (13) dyfuzora są połączone z górną połacią (11) górnymi krawędziami i z dolną połacią (12) dolnymi krawędziami za pomocą złączeniowych elementów (17), wyprofilowanych łukowo, mających w przekroju poprzecznym zarys kątownika, przy czym promień krzywizny złączeniowych elementów (17) jest równy promieniowi (R) krzywizn ścian (13).

5. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że jest on elementem powtarzalnym, montowanym jeden nad drugim na zewnętrznych nośnych słupach (8'), środkowych nośnych słupach (8) i nośnych słupach (8), za pomocą trzpieni (20) mocowanych w gniazdach (19) i skręcanych poprzecznie śrubami (21).

6. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że gniazda (19) najniżej położonych rur nośnych słupów (8), zewnętrznych nośnych słupów (8') i środkowych nośnych słupów (8) są połączone z mocowaniami (9), (9'), (9'') zakotwionymi w żelbetowej podstawie (10), mającymi postać masywnych stalowych trzpieni lub grubościennych blach.

7. Dyfuzor, według zastrz. 1, znamienny tym, że na jego zewnętrznym obwodzie, nad górną połacią (11) ma poziome, kratowe dźwigary (18), utworzone z krzyżujących się z sobą żeber (18'), łączących rury zewnętrznych nośnych słupów (8') z rurami nośnych środkowych słupów (8).