PL248846B1 - Wirnik profilowy na pionowej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Wirnik na pionowej osi obrotu o zwiększonej sprawności składa się z dwóch współosiowych tarcz (1) połączonych są ze sobą na stałe za pomocą łopat wirnika (2) oraz profilu osiowego (3) o ilości ścian bocznych równej liczbie łopat. Łopaty (2) tworzą z krawędzią profilu osiowego (3) pionowe, zwężające się szczeliny przepływowe (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik o zwiększonej sprawności do stosowania w siłowniach wiatrowych na pionowej osi obrotu, który samodzielnie lub w zestawie z układem łopat kierujących służy do przekształcania energii kinetycznej wiatru w energię obrotową wirnika, co pozwala na jego stosowanie z urządzeniami do wytwarzania energii elektrycznej.

Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu mają zwykle niższą sprawność przetwarzania energii wiatru w energię elektryczną od powszechnie stosowanych siłowni na osi poziomej. Niemniej jednak mają też liczne zalety, jak prosta konstrukcja, start przy niskich prędkościach wiatru bez względu na jego kierunek czy cicha i bezpieczna praca.

Ograniczeniem tych rozwiązań jest praca jedną połową poziomego przekroju, obracającą się zgodnie z kierunkiem wiatru, przy działaniu spowalniającym drugiej połowy, obracającej się w kierunku przeciwnym do kierunku wiatru

Turbiny wiatrowe z wirnikami na osi pionowej znane są z opisów patentowych PL233605B1, PL235275B1, PL236244B1, PL217317B1, jak też US20100308597A1, EP2514964A1 i wielu innych.

Znane są również wirniki wiatrowe na pionowej osi obrotu wyposażone w układy łopat elastycznych lub o zmiennej geometrii czy powierzchni. Zwiększają one powierzchnię połowy poziomego przekroju wirnika obracającą się zgodnie z kierunkiem wiatru, osłabiając jednocześnie działanie wiatru na drugą połowę poziomego przekroju wirnika obracającą się przeciwnie do kierunku wiatru, co zwiększa sprawność tych wirników. Takie i podobne rozwiązania znane są z opisów patentowych PL241530B1, PL242967B1, PL389245A1, PL442363A1, EP2321529B1 i wielu innych, między innymi zgłoszenie japońskie JP2008175176 A opisuje elastyczną zmianę kształtu łopat w odpowiedzi na prędkość natarcia i siłę odśrodkową. Zasada działania polega na przechodzeniu z kształtu paddle poprzez Savonius do zamkniętej struktury walcowej. Z kolei z opisu patentowego US7766600 B1 znana jest konstrukcja, w której centrum znajduje się wał ze szczelinami a między wałem a łopatami nie ma szczeliny. Szczeliny w wale są miejscem uchodzenia powietrza a nie zwiększają prędkości obrotowej wirnika. Ujawniono element w kształcie trójkąta jednak łopaty są z nim połączone i nie tworzą szczelin. Kąt nachylenia łopat do osi obrotu zmienia się w zależności od pozycji na torze obrotu i/lub prędkości wiatru. Z opisu zgłoszeniowego FR2968726 A1 znana jest turbina o konstrukcji zwężających się kanałów, które kierunkują przepływ powietrza według zasady Venturiego i polega na działaniu wiatru na łopaty wirnika zbudowane z wydzielonych kanałów. Wirnik posiada łopaty ustawione wokół pionowej osi, gdzie kąt nachylenia łopat do osi obrotu zmienia się w zależności od pozycji na torze obrotu i/lub prędkości wiatru co powoduje wzrost momentu obrotowego poprzez dynamiczne zmiany kąta łopat dla uzyskania optymalnego napędu w każdej fazie obrotu. Z kolei w opisie wzoru użytkowego CN204704069 U ujawniono wirnik rynienkowy z łopatami zakrzywionymi w kształcie litery „C”. Łopaty generują siłę oporową podczas rotacji wokół pionowej osi, ale cykl obrotu powoduje martwe strefy wewnątrz konstrukcji (moment hamujący). Opis zgłoszeniowy CN114396355 A dotyczy pionowego wirnika z mechanizmem zmieniającym długość i kąt łopat w odpowiedzi na zmiany siły wiatru. Dynamiczna zmiana ustawienia łopat ma na celu optymalizację przy różnych prędkościach wiatru jednak brak jest elementów zwiększających prędkość przepływu wewnątrz wirnika. W publikacji WO2022155426 A1 opisano rozwiązanie, którego celem jest zwiększenie stabilizacji pracy turbiny. Stabilność osiągana jest poprzez elementy sterujące przepływem wiatru. Brak jest elementów zwiększających prędkość przepływu wewnątrz wirnika.

Aktualny stan wiedzy opisuje rozwiązania o niskiej sprawności oraz wydajności turbin na pionowej osi obrotu w porównaniu do turbin na poziomej osi obrotu.

Celem wynalazku jest poprawa parametrów turbiny o pionowej osi obrotu. Dodatkowo pożądane jest wykorzystywanie do efektywnej produkcji energii elektrycznej niskich i średnich prędkości wiatru. Konieczne jest większe wykorzystanie energii kinetycznej strumienia powietrza działającego na siłownie o pionowej osi obrotu w porównaniu do dotychczas ujawnionych rozwiązań.

Wirnik do siłowni wiatrowej o pionowej osi obrotu posiada rozmieszczone równomiernie pionowe łopaty zamocowane na stałe pomiędzy dwiema tarczami o poziomych krawędziach. Tarcze połączone są ze sobą profilem osiowym o przekroju poprzecznym mającym kształt wieloboku regularnego a ponadto łopaty mają ma kształt płyty, która ma część prostą skierowaną stycznie ku ścianom profilu osiowego i część wygiętą łukowo skierowaną ku obwodowi tarcz. Pionowe krawędzie części prostej łopat tworzą pomiędzy tymi krawędziami a ścianami profilu osiowego szczeliny przepływowe.

Korzystnie liczba łopat jest równa liczbie ścian profilu osiowego i wynosi od trzech do sześciu.

Korzystnie część wygięta łukowo jest wycinkiem powierzchni walcowej o przekroju poprzecznym będącym % okręgu i o średnicy równej 1/5 średnicy tarczy.

Korzystnie proporcja między średnicą tarcz a średnicą okręgu, na którym opisany jest wielobok regularny będący przekrojem poprzecznym profilu osiowego wynosi od 4:1 do 5:1.

Korzystnie proporcja między średnicą tarcz a szerokością szczelin utworzonych przez łopaty ze ścianami profilu osiowego wynosi w najwęższym miejscu od 10:1 do 12:1.

Korzystnie kąt mocowania w przekroju poprzecznym prostej części łopaty względem ściany profilu wynosi 12° do 15°.

Wirnik o zwiększonej sprawności nadaje strumieniowi powietrza między pracującą łopatą a profilem osiowym pożądany kierunek pracy i zwiększa efektywność konwersji energii kinetycznej wiatru na energię obrotową wirnika.

Zamocowany centralnie profil osiowy zwęża strumień wiatru uderzający w kolejne łopaty wirnika w pionie, a w przypadku użycia czasz lub stożków również w poziomie. To zwiększa prędkość wiatru uderzającego w kolejne łopaty wirnika w stosunku do prędkości wiatru poza wirnikiem z powodu zwężania się szczeliny między profilem a łopatą wirnika, czego efektem jest uzyskanie przez wynalazek zwiększonej sprawności i wydajności energetycznej. Dzięki symetrycznemu ułożeniu łopat, wirnik o zwiększonej sprawności nie wymaga regulacji względem kierunku wiatru. Jest to konstrukcja bezpieczna i cicha. Ze względu na specyfikę konstrukcji, wirnik nie może rozpędzić się do nadmiernych prędkości, co pozwala na ciągłą pracę nawet podczas silnych i bardzo silnych wiatrów. Siłownie wiatrowe dzięki zastosowaniu opisanej konstrukcji mogą w znacząco większym stopniu niż inne typy turbin wykorzystywać niskie i średnie prędkości wiatru. Jest to szczególnie ważne zwłaszcza na obszarach, gdzie pozyskiwanie energii z wiatru było dotychczas mało opłacalne.

Przedmiot wynalazku został zilustrowany na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia widok aksonometryczny wirnika z trzema łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie trójkąta równobocznego, Fig. 2 przedstawia wirnik w widoku z góry bez górnej tarczy z trzema łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie trójkąta równobocznego, Fig. 3 przedstawia widok aksonometryczny wirnika z czterema łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie kwadratu, Fig. 4 przedstawia wirnik w widoku z góry bez górnej tarczy z czterema łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie kwadratu, Fig. 5 przedstawia wirnik w widoku z góry bez górnej tarczy z pięcioma łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie pięciokąta regularnego, Fig. 6 przedstawia wirnik w widoku z góry bez górnej tarczy z sześcioma łopatami i profilem osiowym o przekroju poprzecznym w kształcie sześciokąta regularnego, Fig. 7 przedstawia łopatę wirnika w widoku aksonometrycznym, Fig. 8 przedstawia na wykresie wyniki porównania prędkości obrotowej (rpm) wirnika Savoniusa i wirnika profilowego w zależności od prędkości przepływu powietrza (m/s) opisane w Tabeli.

Przykład 1. Wirnik na pionowej osi obrotu o zwiększonej sprawności wykonano w technologii druku 3D. Wirnik składał się z dwóch płaskich współosiowych tarcz 1 o poziomych krawędziach umieszczonych równolegle do siebie płaskimi powierzchniami. Średnica każdej tarczy 1 wynosiła 16 cm, odległość między tarczami wynosiła 10 cm. Również wysokość łopat wirnika 2 oraz profilu osiowego 3 wynosiła 10 cm. Tarcze 1 były połączone ze sobą za pomocą czterech łopat 2 i profilu 3 o przekroju poprzecznym w kształcie kwadratu o wspólnym środku 6 z tarczami i o wymiarach zewnętrznych 3,2x3,2 cm. Łopaty 2 miały kształt płyty zakończonej z jednej strony wygięciem w kształcie pionowego wycinka % powierzchni walca o średnicy równej 3,2 cm. Części proste łopat były zamocowane wzdłuż ścian profilu osiowego 3 oraz wyrównane w pionie z krawędziami łączącymi jego ściany, zaś części wygięte były wyrównane do krawędzi tarcz 1. Łopaty i profil były prostopadle przymocowane do tarcz 1 w taki sposób, że między łopatami a ścianami profilu powstały pionowe szczeliny przepływowe 4. Najwęższa szerokość szczelin przepływowych 4 utworzonych przez płaskie części łopat i ściany profilu wynosiła 1 cm, zaś kąt mocowania 5 prostych części łopat względem ścian profilu wynosił 12°. Dla potrzeb wykonania pomiarów oś wirnika 7 była stabilizowana łożyskami magnetycznymi w poziomie oraz łożyskami igłowymi w pionie. Dla znawcy oczywistym jest, że funkcję tarcz zapewnią również czasze będące wycinkami kuli lub stożki, zwrócone do siebie wierzchołkami.

Przykład 2. W celach porównawczych wykonano eksperyment pomiaru parametrów prostego wirnika typu Savonius o takich samych, jak w Przykładzie 1. wymiarach przekroju pionowego, z dwiema łopatami zamocowanymi do płaskich tarcz. Pomiar prędkości obrotowej wykonano przy identycznych warunkach jak w Przykładzie 1.

Wyniki uzyskane w powyższych przykładach zestawiono w Tabeli.

PL 248846 Β1

Tabela

Prędkość przepływu powietrza	Obroty wirnika na minutę (rpm)
v (m/s)	Wirnik Savoniusa	Wirnik profilowy
1	58	109
2,0	214	298
3,0	403	502
4,0	581	710
5,0	733	932
6,0	868	1129
7,0	1006	1308
8,0	1121	1426
9,0	1195	1521
10,0	1236	1573
11,0	1280	1629
12,0	1303	1657
13,0	1330	1682
14,0	1344	1698
15,0	1355	1704

Claims (6)

1. Wirnik do siłowni wiatrowej o pionowej osi obrotu posiadający rozmieszczone równomiernie pionowe łopaty zamocowane na stałe pomiędzy dwiema tarczami o poziomych krawędziach, znamienny tym, że tarcze (1) połączone są ze sobą profilem osiowym (3) o przekroju poprzecznym mającym kształt wieloboku regularnego a ponadto łopaty (2) mają kształt płyty, która ma część prostą (2a) skierowaną stycznie ku ścianom profilu osiowego (3) i część wygiętą łukowo (2b) skierowaną ku obwodowi (1 a) tarcz (1) przy czym pionowe krawędzie (2aa) części prostej (2a) łopat (2) tworzą pomiędzy tymi krawędziami a ścianami profilu osiowego (3) szczeliny przepływowe (4).

2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że liczba łopat (2) jest równa liczbie ścian profilu osiowego (3) i wynosi od trzech do sześciu.

3. Wirnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że część wygięta łukowo (2b) jest wycinkiem powierzchni walcowej o przekroju poprzecznym będącym % okręgu i o średnicy równej 1/5 średnicy tarczy (1).

4. Wirnik według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że proporcja między średnicą tarcz (1) a średnicą okręgu, na którym opisany jest wielobok regularny będący przekrojem poprzecznym profilu osiowego (3) wynosi od 4:1 do 5:1.

5. Wirnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że proporcja między średnicą tarcz (1) a szerokością szczelin przepływowych (4) wynosi w najwęższym miejscu od 10:1 do 12:1.

6. Wirnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że kąt mocowania w przekroju poprzecznym części prostej (2a) łopaty (2) względem ściany profilu osiowego (3) wynosi 12° do 15°.