PL390976A1

PL390976A1 - High-power wind power plant

Info

Publication number: PL390976A1
Application number: PL390976A
Authority: PL
Inventors: Anatoliy Naumenko
Original assignee: Anew Inst Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-24
Also published as: PL217317B1

Abstract

Turbina wiatrowa siłowni ma wirnik (W) łożyskowany na pionowej osi obrotu, wyposażony w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu oraz sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika (3). Każda z łopat ma skrzydło górne (5a) i dolne (5b) promieniowo i pod kątem (α) odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika (W). Rama wirnika (3) łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym (2) przy pomocy wózków kołowych promieniowo-poosiowych. Pierścień oporowy (2) o wymiarze średnicy zewnętrznej (Dp) w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania (Dł) łopat podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów (1) o wysokości (H), większej od długości (l2) skrzydła dolnego (5b) łopaty.The wind turbine of the power plant has a rotor (W) mounted on a vertical axis of rotation, equipped with at least two, substantially vertically oriented blades, symmetrically arranged on the circumference of the trajectory of movement and rigidly connected in the zone of their centers of gravity to the horizontal rotor frame (3). Each of the blades has an upper (5a) and lower (5b) wing radially and at an angle (α) deflected outwards from the axis of rotation of the rotor (W). The rotor frame (3) is mounted on a horizontal retaining ring (2) by means of radial-axial wheel carriages. The retaining ring (2) with the dimension of the outer diameter (Dp) in the range from 0.1 to 0.9 of the diameter of the blade mounting (Dł) is supported on a support structure consisting of at least three columns (1) with a height (H) greater than the length (l2) of the lower wing (5b) of the blade.

Description

4 390976 3 14 390 976 3 1

Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocyHigh-power wind power plant

Przedmiotem wynalazku jest wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy, posiadająca turbinę wiatrową i napędzany nim generator elektryczny.The subject of the invention is a high-power wind power plant having a wind turbine and an electric generator driven by it.

Energia wiatru najczęściej wykorzystywana jest w zgrupowaniach siłowni energetycznych z turbinami wiatrowymi o poziomej osi obrotu wirników śmigłowych. Moc tych siłowni ograniczona jest do kilku MWe, co wynika z bardzo dużych wymiarów i ciężaru łopat śmigła oraz generatora wraz z multiplikatorem, zabudowanych w obrotowej głowicy wieżowej konstrukcji wsporczej. Analiza aerodynamiczna dużych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotów wirnika śmigłowego wykazuje sprawność przetwarzania energii wiatru na energię mechaniczną na poziomie poniżej 20%. Głównym powodem tak niskiej sprawności są znaczne wymiary wirnika. Przykładowo, znana siłownia wiatrowa „The Britannia” ma śmigło o średnicy 150 m, zakreślające przy obrocie okrąg o powierzchni 17662 m2. Strumień powietrza przepływający przez taki wirnik składa się z około 20 charakterystycznych stref o powierzchniach przekroju poprzecznego rzędu 800 do 1000 m2. Strumienie powietrza w tych strefach różnią się kierunkiem, prędkością, również temperaturą i gęstością powietrza. Podczas ruchu obrotowego poszczególne łopaty wirnika śmigłowego rozpatrywane jako całość oraz w zakresach różnych odcinków promieniowych przemieszczają się w środowiskach o innych parametrach - co istotnie rzutuje na wielkości sił parcia wiatru. Zróżnicowanie to jest szczególnie widoczne przy prędkościach wiatru mniejszych od 10 m/sek. 2 %·Wind energy is most often used in the groupings of power plants with wind turbines with a horizontal axis of rotation of the propeller rotors. The power of these power plants is limited to a few MWe, which results from the very large dimensions and weight of the propeller blades and the generator with a multiplier, installed in the rotating tower head of the supporting structure. Aerodynamic analysis of large wind turbines with a horizontal axis of rotation of the propeller rotor shows the efficiency of converting wind energy into mechanical energy at the level below 20%. The main reason for such low efficiency is the large dimensions of the rotor. For example, the well-known wind power plant "The Britannia" has a propeller with a diameter of 150 m, drawing a circle with an area of 17662 m2 when rotating. The air stream flowing through such a rotor consists of approximately 20 characteristic zones with cross-sectional areas in the order of 800 to 1000 m2. Air flows in these zones differ in direction, speed, as well as temperature and air density. During the rotary motion, individual blades of the propeller rotor considered as a whole and in the ranges of different radial sections move in environments with different parameters - which significantly affects the size of the wind pressure. This differentiation is especially visible at wind speeds lower than 10 m / sec. 2%

Znane jest z opisu międzynarodowego zgłoszenia wynalazku W02009099344 rozwiązanie turbiny wiatrowej z wirnikiem o pionowej osi obrotu łożyskowanym na jednosłupowej konstrukcji wsporczej. Wirnik wyposażany jest w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty połączone są w strefie ich środków ciężkości z wspornikami poziomej ramy wirnika. Każda z łopat ma skrzydło górne i dolne, promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne skrzydeł mają symetryczny lub wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców długościach cięciw i grubościach profilu. Wzdłużne profilowanie skrzydeł spełnia warunek by długości cięciw profilu na obu końcach skrzydeł i w strefie środkowej były odwrotnie proporcjonalne do promieni ich położenia względem osi obrotu wirnika. Rozwiązanie zapewnia równomierny pobór energii wiatru na długości skrzydeł, poprawia wyważenie i zmniejsza naprężenia ściskające w zewnętrznych warstwach.A solution of a wind turbine with a rotor with a vertical axis of rotation, bearing on a single-pillar support structure, is known from the description of the international patent application W02009099344. The rotor is provided with at least two substantially vertically oriented blades symmetrically spaced around the circumference of its trajectory. The blades are connected in the area of their centers of gravity with the supports of the horizontal rotor frame. Each of the blades has upper and lower wings which are radially and at an angle inclined outwardly from the axis of rotation of the rotor. The cross-sections of the wings have a symmetrical or concave-convex aerodynamic profile with decreasing lengths of the chords and profile thicknesses towards both ends. Longitudinal profiling of the wings meets the condition that the lengths of the profile chords on both ends of the wings and in the middle zone are inversely proportional to the radii of their position in relation to the rotor rotation axis. The solution ensures even wind energy consumption along the length of the wings, improves balance and reduces compressive stresses in the outer layers.

Znane są również wiatrowe siłownie energetyczne dużej mocy, w których turbina wiatrowa o pionowej osi obrotów napędza generator pierścieniowy ze stojanem i wirnikiem ukształtowanych w postaci pierścieni o dużej średnicy. Przykładowo, rozwiązanie wiatrowej siłowni energetycznej przedstawione w opisie patentowym US4168439 ma turbinę wiatrową, której rama wirnika o kształcie pierścienia podparta jest na rolkach łożyskowych. Pierścień ramy wirnika jednocześnie stanowi wirnik generatora, który z zewnątrz objęty jest przez pierścień stojana. Na górnej powierzchni pierścienia ramy wirnika zamocowane są jednoskrzydłowe łopaty, promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne łopat mają symetryczny profil aerodynamiczny o malejących w kierunku końca długościach cięciw i grubościach profilu. Przy dużych wymiarach, występuje niekorzystne sumowanie się oddziaływań: ciężaru jednostronnych, nachylonych łopat, sił odśrodkowych i sił aerodynamicznych - obciążeń, które odbierane są przez pierścieniową ramę wirnika. Podczas ruchu w kierunku pod wiatr siły aerodynamiczne i bezwładności mają jednakowy zwrot, natomiast podczas ruchu z wiatrem mają zwrot przeciwny. W wyniku wytwarzane jest niesymetryczne obciążenie pulsujące pierścieniowej ramy wirnika w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej, deformujące wirnik z niekorzystnym skutkiem w sprawności połączenia obrotowego i skuteczności indukcji elektrycznej generatora. 3There are also known high power wind power plants in which a wind turbine with a vertical axis of rotation drives a ring generator with stator and rotor shaped as large diameter rings. For example, the wind power plant solution disclosed in US4168439 has a wind turbine in which the ring-shaped rotor frame is supported on bearing rollers. The rotor frame ring is also the generator rotor, which from the outside is enclosed by the stator ring. On the upper surface of the rotor frame ring, single-leaf blades are mounted, radially and at an angle inclined outward from the rotor axis of rotation. The cross-sections of the blades have a symmetrical aerodynamic profile with decreasing chord lengths and profile thicknesses towards the end. With large dimensions, there is an unfavorable combination of effects: the weight of one-sided, inclined blades, centrifugal forces and aerodynamic forces - loads that are perceived by the rotor annular frame. When moving upwind, the aerodynamic forces and inertia have the same direction, while when going downwind, they have the opposite sense. As a result, an asymmetric pulsating load of the annular rotor frame is produced in the horizontal and vertical plane, deforming the rotor with a disadvantageous effect on the efficiency of the rotary joint and the efficiency of the electric induction of the generator. 3

Siłownia energetyczna według niniejszego wynalazku ma podobnie jak w znanych rozwiązaniach turbinę wiatrową z wirnikiem o pionowej osi obrotu, łożyskowanym na konstrukcji wsporczej i wyposażonym w co najmniej dwie łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty są sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika a każda z łopat ma skrzydło górne i dolne promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Istota wynalazku polega na tym, że rama wirnika łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym przy pomocy wózków kołowych promieniowo-poosiowych. Pierścień oporowy, o wymiarze średnicy zewnętrznej w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania łopat do ramy, podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów wieżowych o wysokości większej od długości skrzydła dolnego łopaty.The power plant according to the present invention has, as in the known solutions, a wind turbine with a rotor with a vertical axis of rotation, bearing on a support structure and equipped with at least two blades, symmetrically distributed along the circumference of the trajectory of movement. The blades are rigidly connected in the area of their centers of gravity with the horizontal rotor frame and each blade has upper and lower wings radially and at an angle tilted outwards from the rotor axis of rotation. The essence of the invention lies in the fact that the rotor frame is mounted on a horizontal thrust ring by means of radial-axial wheel carriages. The thrust ring, with the outer diameter ranging from 0.1 to 0.9 of the diameter of the blade attachment to the frame, is supported on a support structure composed of at least three tower columns with a height greater than the length of the lower blade wing.

Konstrukcja siłowni według takiego rozwiązania zasadniczo nie ma ograniczeń w zakresie wytwarzanej mocy elektrycznej. Dla prędkości wiatru w zakresie od 4 do 30 m/s osiąga sprawność przetwarzania energii wiatru w energię elektryczna powyżej 60%. Praca turbiny wiatrowej jest stabilna, w poziomej ramie wirnika występują prawie wyłącznie naprężenia rozciągające a wyższa częstość drgań własnych łopat uodparnia wirnik na porywy wiatru.The construction of a power plant according to this solution is essentially unlimited in terms of the generated electric power. For wind speeds ranging from 4 to 30 m / s, it achieves the efficiency of converting wind energy into electricity above 60%. The operation of the wind turbine is stable, almost exclusively tensile stresses occur in the horizontal rotor frame, and the higher frequency of blade natural vibrations makes the rotor more resistant to wind gusts.

Korzystnym jest rozwiązanie, w którym turbina ma łopaty połączone są z ramą wirnika na co najmniej dwóch średnicach zamocowania, a pierścień oporowy ma średnicę zewnętrzną mniejszą od najmniejszej z średnic zamocowania łopat do ramy.It is preferred that the turbine has blades connected to the rotor frame at at least two mounting diameters, and the abutment ring has an outside diameter smaller than the smallest of the blade mounting diameters to the frame.

Korzystnym jest również, gdy generator elektryczny stanowią: zamocowany na pierścieniu centrującym stojan liniowy lub wielobiegunowy oraz wirnik generatora połączony z ramą wirnika.It is also advantageous for the electric generator to be: a linear or multipole stator mounted on the centering ring and a generator rotor connected to the rotor frame.

Przekazanie mocy mechanicznej turbiny wiatrowej może być również korzystnie dokonane w rozwiązaniu siłowni z generatorem elektrycznym posadowionym na podłożu i napędzanym przez przegubowy wał pionowy, górnym końcem zamocowany przez przegub do ramy wirnika w osi obrotu.The transmission of the mechanical power of the wind turbine can also be advantageously achieved in a power plant solution with an electric generator placed on the ground and driven by an articulated vertical shaft, with its upper end attached to the rotor frame in the axis of rotation.

Wynalazek przybliżony jest opisem dwóch przykładowych rozwiązań wiatrowych siłowni pokazanych w ujęciu schematycznym na rysunkach. Figury 1 i 2 rysunku przedstawiają pierwszą siłownię w widok z boku i z góry, Fig.3 i 4 siłownię według drugiego wykonania wynalazku w analogicznych rzutach a fig.5 przekrój poprzeczny według linii Χ-Χ z Fig.2. 4The invention is a brief description of two examples of wind turbine solutions shown in a schematic view in the drawings. Figures 1 and 2 of the drawings show the first power plant in a side view and from above, Figures 3 and 4 show a power plant according to a second embodiment of the invention in analogous views, and FIG. 4

Siłownia z fig.1 i 2 posiada turbinę wiatrową i napędzany nim generator elektryczny G. Wirnik W turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu ma poziomą ramę 3, utworzoną z pięciu pylonów promieniowo rozstawionych według kąta środkowego 72°. Pylony są sztywno połączone ze sobą końcami w osi obrotu wirnika. Na drugich, zewnętrznych końcach pylonów zamocowane są łopaty 5. Długość pylonu ramy wirnika 3 wyznacza średnicę zamocowania D< łopat 5. Każda z pięciu łopat 5 ma skrzydło górne 5a i dolne 5b promieniowo i pod katem a odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Rama wirnika 3 łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym 2 przy pomocy wózków kołowych 4 promieniowo-poosiowych, co przedstawia Fig.5 rysunku. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp równą 0,7 średnicy zamocowania D» łopat 5 i jest podparty na konstrukcji wsporczej złożonej z trzech słupów wieżowych 1, rozstawionych co 120°, o wysokości H większej od długości l2 skrzydła dolnego 5b łopaty 5. Generator elektryczny G jest prądnicą bezwałową, którą stanowią: zamocowany na pierścieniu centrującym 2 wielobiegunowy stojan 6 oraz połączony z ramą wirnika 3 wirnik generatora 7.The power plant of Figures 1 and 2 has a wind turbine and a driven electric generator G. Rotor W of a vertical axis wind turbine has a horizontal frame 3 formed of five pylons radially spaced apart at a center angle of 72 °. The pylons are rigidly connected with each other at the axis of rotation of the rotor. The blades 5 are fixed at the second, outer ends of the pylons. The length of the rotor frame pylon 3 defines the mounting diameter D < blades 5. Each of the five blades 5 has an upper wing 5a and a lower wing 5b radially and at an angle [alpha] bent outwardly from the axis of rotation of the rotor. The rotor frame 3 is bearing on the horizontal thrust ring 2 by means of radial-axial wheel carriages 4, as shown in Fig. 5 of the drawing. The thrust ring 2 has an outer diameter Dp equal to 0.7 of the mounting diameter D »of the blades 5 and is supported on a supporting structure composed of three tower columns 1 spaced at 120 ° intervals, with a height H greater than the length l2 of the lower wing 5b of the blade 5. Electric generator G is a shaftless generator consisting of: a multi-pole stator 6 mounted on the centering ring 2 and a generator rotor 7 connected to the rotor frame 3.

Na Fig.3 i 4 pokazana jest siłownia, której turbina wiatrowa ma wirnik W z ośmioma łopatami 5 połączonymi z ramą wirnika 3 na dwóch średnicach zamocowania D»i i D^, po cztery na każdej średnicy. Rama 3 utworzona jest przez sztywne połączenie w jednej, poziomej płaszczyźnie: czterech promieniowo-prostopadłych pylonów o kształcie równoramiennego krzyża oraz nałożenie na niego kwadratu z prostopadłych do pylonów belek. Łopaty 5 zamocowane są na czterech końcach pylonów krzyża i w czterech narożach kwadratu. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp mniejszą od mniejszej średnicy zamocowania Dt1 łopat 5, korzystnie równą długości boku kwadratu. Podparty jest na czterech słupach wieżowych 1. W tym wykonaniu siłownia ma wirnikowy generator elektryczny G, który posadowiony jest na podłożu i napędzany od turbiny wiatrowej przez pionowy wał 8 Cardana, sprzęgło i przekładnię multiplikatora.In Figs. 3 and 4, a power plant is shown, the wind turbine of which has a rotor W with eight blades 5 connected to the rotor frame 3 on two mounting diameters D1 and D1, four on each diameter. The frame 3 is formed by a rigid connection in one horizontal plane: four radially perpendicular pylons in the shape of an isosceles cross and placing a square on it of beams perpendicular to the pylons. The blades 5 are fixed at the four ends of the pylons of the cross and at the four corners of the square. The abutment ring 2 has an outer diameter Dp smaller than the smaller mounting diameter Dt1 of the blades 5, preferably equal to the side length of the square. It is supported on four tower poles 1. In this embodiment, the power plant has a rotor electric generator G, which is set on the ground and driven from the wind turbine by the vertical Cardan shaft 8, the clutch and the multiplier gear.

6 6 G. DP D, Dn Dł2 a H I26 6 G. DP D, Dn Dl2 a H I2

Wykaz oznaczeń na rysunkach wirnik turbiny wiatrowej 1. słup wieżowy 2. pierścień oporowy 3. rama wirnika 4. wózek kołowy 5. łopata 5a. skrzydło górne 5b. skrzydło dolne generator elektryczny 6. stojan 7. wirnik generatora 8. wał średnica zewnętrzna pierścienia centrującego średnica zamocowania łopat mniejsza średnica zamocowania łopat większa średnica zamocowania łopat kat pochylenia skrzydła wysokość słupa długość dolnego skrzydłaList of markings in the drawings wind turbine rotor 1. tower pole 2. thrust ring 3. rotor frame 4. wheel carriage 5. blade 5a. upper wing 5b. lower wing electric generator 6. stator 7. generator rotor 8. shaft outer diameter of centering ring diameter of the blade mounting smaller diameter of the blade mounting larger diameter of the blade mounting angle wing tilt angle height of the pole length of the lower wing

Claims

5 330976 'and Claims 1. A high-power wind power plant having a wind turbine and an electric generator driven by it (G), and in which the wind turbine has a rotor (W) bearing along a vertical axis of rotation on a support structure, provided with at least two substantially vertically oriented blades (5), symmetrically arranged on the circumference of the trajectory of motion and rigidly connected in the area of their centers of gravity with the horizontal rotor frame (3), each of the blades (5) having upper (5a) and lower (5b) wings ) radially and at an angle (a) tilted outwards from the axis of rotation of the rotor (W), characterized in that the rotor frame (3) is mounted on a horizontal thrust ring (2) by means of radially-axial wheel carriages (4), a thrust ring (2) with the outer diameter (Dp) in the range of 0.1 to 0.9 of the mounting diameter (DO of the blades (5) is supported on a supporting structure composed of at least three tower columns (1), the eyeballs (H) greater than the length (l2) of the lower wing (5b) of the blade (5).

A power plant according to claim 1, characterized in that the blades (5) are connected to the rotor frame (3) on at least two mounting diameters (Dh, Dł2) and the thrust ring (2) has an outer diameter (Dp) smaller than the smallest of mounting diameters (Du).

3. Power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the electric generator (G) consists of: a linear or multi-pole stator (6) mounted on the centering ring (2) and a generator rotor (7) connected to the rotor frame (3).

Power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the electric generator (G) is placed on the ground and driven by an articulated vertical shaft (8), with its upper end attached to the rotor frame (3) in the axis of rotation.