RS65339B1

RS65339B1 - Vetroturbina kružne i konusne konstrukcije tornja sa sredstvima za pasivnu kontrolu protoka i upotreba takve vetroturbine

Info

Publication number: RS65339B1
Application number: RS20240281A
Authority: RS
Inventors: Ib Frydendal; Peter Grabau
Original assignee: Envision Energy Denmark Aps
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2024-04-30
Also published as: PL3853473T3; WO2020057706A1; EP3853473A1; DK3853473T3; CN110925143A; ES2972694T3; EP3853473B1; CN110925143B; EP3853473A4

Description

Opis

Oblast pronalaska

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na vetroturbinu koja ima kružnu i konusnu konstrukciju tornja sa sredstvima za pasivnu kontrolu protoka za suzbijanje vibracija indukovanih vrtlogom u navedenoj konstrukciji tornja. Pronalazak dalje obuhvata upotrebu takve vetroturbine.

Stanje tehnike

[0002] Poznato je da će vetroturbine imati više tornjeve i da to stvara probleme sa vibracijama indukovanim vrtlogom u tornju, posebno tokom ugradnje pre postavljanja gondole.

[0003] Ovi problemi u tornjevima vetroturbina i odgovarajući problemi u drugim kružnim konstrukcijama danas se rešavaju aktivnim kontrolnim sredstvima ili pasivnim sredstvima kao npr. spiralno formiranim grebenima na dimnjacima.

[0004] Što su tornjevi vetroturbina viši, to se više problema javlja sa vibracijama tornjeva prvog i drugog režima.

[0005] Na osnovu lopatica na vetroturbinama i krila na avionima poznate su jedinice generatora vrtloga koje su trouglaste. One će funkcionisati sa dobro definisanom orijentacijom vetra koji prolazi kroz generator vrtloga i uticati na granični sloj oko lopatice ili krila. Ove jedinice generatora vrtloga se koriste za smanjenje buke.

[0006] US 4059129 A1 opisuje cilindrično telo opremljeno sredstvima za suzbijanje vibracija koje nastaju usled poprečnog protoka fluida. US 2006/054073 A1 opisuje uređaj i postupak za smanjenje vrtloga u tragu pomorskog elementa. UGUR ORAL UNAL I DRUGI, Exp Fluids (2010) 48:1059-1079, DOI 10.1007/s00348-009-0791-6 opisuje eksperimentalno istraživanje uticaja generatora vrtloga na tok kružnog cilindra u toku blizu vodene brazde. WO 2018/149527A1 i JP S5483230 U se odnose na građevinsku konstrukciju sa sredstvima za smanjenje indukovanih vibracija.

Cilj pronalaska

[0007] Cilj pronalaska je da obezbedi rešenje gde je konstrukcija tornja vetroturbine opremljena sredstvima za pasivnu kontrolu protoka kako bi se rešili gorenavedeni problemi sa vibracijama indukovanim vrtlogom.

Opis pronalaska

[0008] U skladu sa predmetnim pronalaskom, ovaj cilj se postiže vetroturbinom koja ima kružnu i konusnu konstrukciju tornja i koja je specifična po tome što navedeno sredstvo za pasivnu kontrolu protoka obuhvata jedinice generatora vrtloga od kojih svaka obuhvata rebro i osnovu preko koga je rebro pričvršćeno za površinu konstrukcije tornja kako bi se uticalo na granični sloj oko konstrukcije tornja i na taj način potisnule vibracije izazvane vrtlogom i da svako od navedenih rebara obuhvata pravougaonu ploču koja je postavljena u suštini radijalno u odnosu na kružnu ili konusnu konstrukciju tornja i svako rebro je postavljeno pod uglom između 0° i 30° u odnosu na ravan koja je pod pravim uglom u odnosu na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja, pri čemu jedinice generatora vrtloga pokrivaju više od 30% gornjeg dela visine tornja vetroturbine.

[0009] Toranj vetroturbine biće postavljen na temelj. Toranj vetroturbine može biti postavljen na temelj ili konstrukciju od šipova na kopnu ili može biti montiran na obali na temelju koji može biti plutajuća konstrukcija ili konstrukcija sa fiksnim dnom.

[0010] Konstrukcija tornja sadrži kružni donji odeljak i konusni gornji odeljak.

[0011] Konstrukcija tornja će biti pričvršćena u temelju i biće podložna vibracijama izazvanim vetrom.

[0012] Pošto jedinica generatora vrtloga ima pravougaono rebro, ona će moći efikasno da utiče na granični sloj oko konstrukcije tornja gde vetar može da dolazi iz različitih pravaca i sa različitom orijentacijom u odnosu na konstrukciju tornja.

[0013] Štaviše, jedinice generatora vrtloga koje su pravougaone imaće duplo veću površinu u poređenju sa jedinicama trouglastog generatora vrtloga za istu visinu iznad površine konstrukcije tornja.

[0014] U tornju za vetroturbinu, visina rebra će biti važna zbog transporta. Kod pravougaonih rebara moguće je imati manji ukupni prečnik tornja koji treba transportovati. Ovo je važno za drumski transport gde je važna ukupna visina.

[0015] Kada je konstrukcija tornja izrađena od čelika, važno je da se jedinice generatora vrtloga zalepe na površinu tornja vetroturbine. Na ovaj način je moguće izbeći zavarivanje koje bi moglo smanjiti čvrstoću tornja vetroturbine.

[0016] Rebra jedinice generatora vrtloga će imati dve velike ravne bočne strane koje su suprotne jedna drugoj i male bočne strane oko perimetra pravougaonog rebra.

[0017] Poželjno je da se osnova preko koje je rebro pričvršćeno za površinu konstrukcije tornja pruža dalje od bočne strane pravougaonog rebra. Shodno tome, ploča koja se koristi za osnovu jedinice generatora vrtloga će obezbediti oblast koja obezbeđuje sigurno pričvršćivanje jedinice generatora vrtloga na površinu.

[0018] Naročito kada se pričvršćivanje vrši lepljenjem, važno je imati površinu za efikasno lepljenje jedinice generatora vrtloga na površinu konstrukcije tornja. Kada imate osnovnu ploču koja može biti u suštini pravougaona i gde je rebro postavljeno na centralnom delu osnovne ploče sa pravcem okomitim na osnovnu ploču, moguće je dobiti čvrstoću prianjanja koja obezbeđuje zadržavanje jedinice generatora vrtloga na površini konstrukcije tornja, čak i kada opterećenje vetrom izazove moment na jedinici generatora vrtloga.

[0019] Generalno, pravougaona rebra će imati veće pružanje duž površine konstrukcije tornja od visine oko površine konstrukcije tornja. Kao što je gore objašnjeno, ovo će biti važno kako bi ukupan prečnik bio što je moguće manji, zbog transporta. Shodno tome, moguće je obezbediti dovoljnu površinu rebra povećanjem dužine duž površine i smanjenjem visine iznad površine.

[0020] Poželjno je da se jedinice generatora vrtloga montiraju na konstrukciju tornja van lokacije tokom proizvodnje segmenata od kojih je napravljena konstrukcija tornja. Međutim, takođe je moguće da se jedinice generatora vrtloga mogu montirati na konstrukciju tornja na licu mesta gde se konstrukcija tornja namerava postaviti.

[0021] Ploča rebra je postavljena u suštini radijalno u odnosu na konstrukciju tornja. Za toranj vetroturbine pravac vetra će biti u suštini horizontalno orijentisan.

[0022] Pošto je pravougaono rebro postavljeno u suštini pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja, ono će imati u suštini horizontalnu orijentaciju u tornju vetroturbine. Zbog toga će rebro pretežno imati vetar koji teče paralelno sa ravni pravougaone ploče rebra.

[0023] Jedinice generatora vrtloga će imati efikasan uticaj na granični sloj oko konstrukcije tornja jer će tok vetra normalno imati horizontalnu orijentaciju. Vetar će imati znatno laminarno strujanje na rastojanju iznad tla i shodno tome najnižeg dela konstrukcije tornja.

[0024] Što je više jedinica generatora vrtloga koje su raspoređene po obimu konstrukcije tornja, to se postiže efikasnije smanjenje vibracija izazvanih vrtlogom za vetar koji dolazi iz različitih pravaca.

[0025] Toranj vetroturbine je posebno osetljiv na vibracije izazvane vetrom tokom ugradnje pre nego što se gondola postavi na vrh tornja. Međutim, čak i sa gondolom postavljenom na vrhu tornja, toranj vetroturbine koji ima značajnu visinu će imati koristi od efekta jedinica generatora vrtloga kako bi se potisnule vibracije indukovane vrtlozima u tornju.

[0026] Prema daljem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što navedena konstrukcija tornja obuhvata dve ili više jedinica generatora vrtloga, poželjno četiri ili više, koje su simetrično raspoređene duž obima ili dela obima konstrukcije tornja.

[0027] Efikasnost jedinica generatora vrtloga biće povećana sa više jedinica generatora vrtloga postavljenih duž obima konstrukcije tornja. Poželjno je da se jedinice generatora vrtloga rasporede simetrično kako bi se postigao najbolji efekat za vetar koji dolazi iz različitih smerova.

[0028] Generalno, broj jedinica generatora vrtloga duž obima zavisiće od prečnika tornja na stvarnom odeljku tornja gde su raspoređeni generatori vrtloga. Međutim, simulacije su prikazale da će postojati značajan efekat samo sa dve jedinice generatora vrtloga duž obima. Kako će nadolazeći vetar, na određenim lokacijama, pretežno dolaziti iz jednog smera, u velikom broju slučajeva će biti dovoljno da se po obodu nalaze dve jedinice generatora vrtloga.

[0029] Generalno, jaki vetrovi koji izazivaju vrtložne vibracije u tornju dolaziće iz jednog preovlađujućeg pravca. Zbog toga je moguće rasporediti generatore vrtloga samo duž dela obima konstrukcije tornja.

[0030] Simulacije su pokazale da su četiri jedinice generatora vrtloga postavljene na 90° duž obima veoma efikasne za dolazni vetar iz bilo kog pravca.

[0031] Prema daljem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što navedena konstrukcija tornja obuhvata dve ili više jedinica generatora vrtloga, poželjno četiri ili više, postavljenih u različitim odeljcima duž najmanje dela visine konstrukcije tornja.

[0032] Efekat generatora vrtloga se povećava tako što se jedinice generatora vrtloga raspoređuju po visini konstrukcije tornja, a ne samo duž obima konstrukcije tornja. U skladu s tim, moglo bi se reći da se mreža generatora vrtloga može formirati raspodelom jedinica generatora vrtloga po obimu, a takođe i u redovima u odeljcima na različitim pozicijama duž dela visine konstrukcije tornja.

[0033] Konstrukcija tornja koja je toranj postavljen u temelj na tlu neće morati da ima jedinice generatora vrtloga raspoređene duž ukupne visine takvog tornja. Biće neophodno samo da se jedinice generatora vrtloga rasporede u odeljcima na delu konstrukcije tornja koji je blizu vrha konstrukcije. Efekat vetra će biti veći na vrhu tornja nego na dnu tornja.

[0034] Prema pronalasku, vetroturbina je specifična po tome što svako od rebra može biti postavljeno pod uglom između 0° i 30° u odnosu na ravan koja je pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja.

[0035] Rebro jedinice generatora vrtloga ne treba da bude postavljeno u ravni tačno pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja. Simulacije su pokazale da će jedinice generatora vrtloga efikasno potiskivati vibracije izazvane vrtlogom u konstrukciji tornja čak i kada su postavljene pod uglom do 30° u odnosu na ravan koja je pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja.

[0036] Rebra mogu biti raspoređena pod različitim uglovima ili pod istim uglom. Moguće je imati više rebra koja su raspoređena pod različitim uglovima. Isto tako, moguće je imati rebra postavljena sa različitim orijentacijama u odnosu na ravan koja je pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja.

[0037] Prema daljem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što navedena rebra imaju visinu manju od 5% prečnika konstrukcije tornja, poželjno manju od 3% prečnika konstrukcije tornja.

[0038] Simulacije su pokazale da će rebra biti efikasna sa visinom oko površine konstrukcije tornja koja je u odnosu na prečnik konstrukcije tornja na određenom odeljku tornja gde su postavljeni generatori vrtloga. Ove simulacije su pokazale da se efikasno suzbijanje vibracija izazvanih vetrom postiže sa visinom manjom od 5% prečnika konstrukcije tornja.

[0039] Kako bi se dobio mali ukupni prečnik konstrukcije tornja sa montiranim jedinicama generatora vrtloga, poželjno je da rebra imaju visinu koja je manja od 3% prečnika konstrukcije tornja.

[0040] Rebra mogu biti postavljena pod različitim uglovima po obimu. Shodno tome, kada se transportuje konstrukcija tornja – ili odeljci takve konstrukcije tornja – za toranj vetroturbine, poželjno je da se toranj transportuje sa rebrima koja nisu vertikalno orijentisana na toranj tokom transporta. Pri orijentaciji rebra pod uglom smanjiće se ukupna visina transportovanog tornja sa jedinicama generatora vrtloga. Na primer, toranj opremljen sa četiri jedinice generatora vrtloga postavljene simetrično, toranj će biti transportovan sa rebrima orijentisanim 22,5° na svaku stranu vertikalne ravni kroz toranj.

[0041] Prema sledećem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što su jedinice generatora vrtloga postavljene duž spiralne putanje na površini konstrukcije tornja.

[0042] Moguće je obezbediti jedinice generatora vrtloga u različitim šablonima ili mrežama na površini konstrukcije tornja. Jedinice generatora vrtloga mogu se postaviti duž spiralne putanje duž kružne površine. Ovim će svaka jedinica generatora vrtloga na različitim visinama imati položaj koji je pomeren u odnosu na susedne jedinice generatora vrtloga kako bi se stvorila spiralna putanja.

[0043] Svaka jedinica generatora vrtloga u takvoj spiralnoj putanji može imati rebro koje je orijentisano u ravni koja je u suštini pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja ili može imati različite uglove u odnosu na takvu pravouglu orijentaciju.

[0044] Prema daljem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što su jedinice generatora vrtloga postavljene po šablonu koji obuhvata više slojeva duž visine konstrukcije tornja i sa više jedinica generatora vrtloga u svakom sloju duž obima konstrukcije tornja i po tome što su jedinice generatora vrtloga u jednom sloju pomerene duž obima u poređenju sa položajem jedinica generatora vrtloga u susednom sloju.

[0045] Jedinice generatora vrtloga mogu biti postavljene po šablonu koji obuhvata više slojeva duž dužine konstrukcije. Svaki sloj će obuhvatati više jedinica generatora vrtloga. Po takvom šablonu, poželjno je da položaj jedinica generatora vrtloga u različitim slojevima bude pomeren oko obima u poređenju sa položajem jedinica generatora vrtloga postavljenih u susednim slojevima. Time se dobija najefikasnija distribucija generatora vrtloga po obimu. Time se dobija konstrukcija tornja koja može da ima suzbijanje vibracija indukovanih vrtlozima za bilo koji smer nadolazećeg vetra na konstrukciju tornja.

[0046] Štaviše, ovo tehničko rešenje se može postaviti sa bilo kojom orijentacijom. Shodno tome, ne postoji zahtev za specifičnu orijentaciju tornja prilikom podizanja tornja na licu mesta.

[0047] Prema pronalasku, vetroturbina je specifična po tome što jedinice generatora vrtloga pokrivaju više od 30% gornjeg dela visine tornja vetroturbine.

[0048] Kao što je već navedeno, toranj vetroturbine će imati posebne koristi od jedinica generatora vrtloga koje pokrivaju gornji deo konstrukcije tornja. Simulacije su pokazale da će pokrivanje od približno 30% ili više gornjeg dela visine biti efikasno za suzbijanje vibracija izazvanih vrtlogom.

[0049] 30% ne mora biti najviši gornji deo. Može postojati najviši gornji deo konstrukcije tornja koji nije opremljen jedinicama generatora vrtloga i tada su jedinice generatora vrtloga postavljene na međudelu blizu najvišeg gornjeg dela. Ovaj međudeo može činiti 30% ili više od ukupne visine tornja.

[0050] Dužina se može povećati na 35% ili 50% visine tornja. Međutim, kao što je navedeno, dužina dela pokrivenog generatorima vrtloga treba da se obezbedi na gornjem delu konstrukcije tornja.

[0051] Prema daljem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što konstrukcija tornja ima visinu od 100 metara ili više, poželjno 140 metara ili više i što jedinice generatora vrtloga pokrivaju više od 30% i najviše 50% gornjeg dela konstrukcije tornja.

[0052] Za tornjeve vetroturbina danas je i dalje uobičajenije da rade na visinama od 100 metara ili više. Sa ovim tornjevima vetroturbina visine 140 metara, simulacije su prikazale da se efikasno suzbijanje vibracija izazvanih vrtlogom postiže kada se 30 – 50 metara dužine takve konstrukcije tornja obezbedi jedinicama generatora vrtloga.

[0053] Prema sledećem tehničkom rešenju pronalaska, vetroturbina je specifična po tome što su jedinice generatora vrtloga postavljene na međusobnoj udaljenosti većoj od 1 metra.

[0054] Simulacije su prikazale da se efikasno suzbijanje vibracija indukovanih vrtlogom postiže čak i kada jedinice generatora vrtloga nisu raspoređene blizu jedna drugoj. Tako su simulacije prikazale da jedinice generatora vrtloga funkcionišu efikasno čak i kada imaju međusobnu udaljenost veću od 1 metra. Efikasni rezultati se dobijaju čak i na međusobnom rastojanju do 3-4 metra.

[0055] Prema daljem aspektu pronalaska, vetroturbina sa jedinicama generatora vrtloga se koristi za rešavanje problema sa prvim i drugim režimom vibracija u konstrukciji tornja.

[0056] Jedinice generatora vrtloga su efikasne za rešavanje problema sa vibracijama izazvanim vrtlogom ne samo prvog, već i drugog režima u konstrukciji tornja.

[0057] Kada se postave još viši tornjevi, mogu se javiti i problemi sa vibracijama trećeg režima. Ove vibracije trećeg režima, takođe, mogu biti potisnute predmetnim pronalaskom.

[0058] Jedinice generatora vrtloga mogu biti proizvedene od različitih materijala. Poželjno je koristiti plastične materijale za proizvodnju zbog male težine i zbog mogućnosti lepljenja na površinu konstrukcije tornja.

[0059] Materijal koji se koristi za jedinicu generatora vrtloga će poželjno biti polikarbonat otporan na UV zračenje. Ovo je materijal koji se, takođe, koristi za jedinice generatora vrtloga za smanjenje buke na lopaticama vetroturbina.

[0060] Debljina rebra jedinice generatora vrtloga može biti između 1 i 4 mm, a poželjno oko 2 mm. Dimenzije rebra jedinice generatora vrtloga će obično biti 150 mm x 75 mm. Osnova jedinice generatora vrtloga obično će imati veličinu od 80 mm x 160 mm.

[0061] Prilikom postavljanja osnove jedinice generatora vrtloga lako je obezbediti zakrivljenost koja odgovara kružnoj zakrivljenosti konstrukcije tornja. Međutim, fleksibilnost plastičnog materijala, takođe, može da obezbedi zakrivljenost koja se može prilagoditi konstrukcijama tornja različitih prečnika. Shodno tome, identične jedinice generatora vrtloga mogu se koristiti za montažu na kružnu konstrukciju tornja ili konstrukciju tornja koja ima opadajući prečnik od dna prema vrhu i tako ima blagi konusni oblik.

[0062] Postoje dve posebne situacije u kojima je korisna upotreba jedinica generatora vrtloga.

[0063] Prva situacija je kada se podiže toranj. Neposredno pre nego što se montira poslednji odeljak na tornju vetroturbine i tokom montaže poslednjeg odeljka tornja, kada će efekat jedinice generatora vrtloga biti najefikasniji.

[0064] Druga situacija je vetroturbina u kojoj su elise izbačene ili ako dođe do gubitka snage i smer vetra se promeni u odnosu na smer vetra od ranije. U ovoj situaciji, vetar može ući sa strane lopatice vetroturbine. Ovo će izazvati vibracije i napred i nazad na tornju. U ovoj situaciji, jedinice generatora vrtloga će biti efikasne u suzbijanju vibracija.

[0065] Za toranj vetroturbine gde gondola i lopatice rotora nisu montirane, nije verovatno da će doći do visoke frekvencije koja pokreće drugi režim. Međutim, drugi režim vibracije se desio u tornju vetroturbine koja ima visinu od 140 metara.

[0066] Problemi sa prvim ili drugim režimom vibracija nisu obrađeni u prethodnoj tehnici.

[0067] Upotreba predmetnog pronalaska je posebno korisna u čeličnim tornjevima za vetroturbine.

[0068] Sprovedene simulacije pokazuju da rastojanje između jedinica generatora vrtloga može biti približno 1-1,2 metra. Međutim, moguće je i rastojanje između jedinica generatora vrtloga od 3 metra u pravcu visine. Toranj za vetroturbinu će na visini od 80 metara uglavnom imati obim od 14 metara. U ovoj poziciji može biti 3-4 metra između svake jedinice generatora vrtloga u obodnoj ravni. Generalno, moglo bi se reći da će postojati otprilike jedna jedinica generatora vrtloga na 3 m<2>. Međutim, simulacije prikazuju da bi taj odnos mogao biti čak i jedna jedinica generatora vrtloga na 12 m<2>.

[0069] Gore su navedeni različiti odnosi za visinu jedinica generatora vrtloga u odnosu na prečnik tornja. U praksi se pokazalo da je granični sloj oko tornja približno 2% prečnika tornja. Shodno tome, visina jedinice generatora vrtloga treba da bude samo 2% prečnika tornja u odeljku tornja gde su postavljeni generatori vrtloga.

[0070] Međutim, kao što je gore objašnjeno, visina može biti do visine koja je manja od 5% prečnika tornja.

[0071] Ako se koriste spiralne trake iz prethodnog stanja tehnike, visina će normalno biti 3-4% prečnika tornja. Shodno tome, ukupni prečnik kada se koriste jedinice generatora vrtloga biće manji od ukupnog prečnika spiralnih traka iz stanja tehnike.

[0072] Štaviše, spiralne trake se obavezno postavljaju na veći deo visine tornja sa kontinuiranim pružanjem. Ovo uzrokuje upotrebu materijala u mnogo većoj količini od upotrebe materijala za jedinice generatora vrtloga prema predmetnom pronalasku.

Opis crteža

[0073] Tehničko rešenje pronalaska će sada biti opisano, samo kao primer, uz upućivanje na prateće crteže, na kojima:

Slika 1 prikazuje vetroturbinu koja obuhvata toranj, Slika 2A prikazuje prvo tehničko rešenje jedinice generatora vrtloga za upotrebu na tornju vetroturbine,

Slika 2B prikazuje dodatno tehničko rešenje jedinice generatora vrtloga za upotrebu na tornju vetroturbine,

Slika 3 je shematski prikaz geometrije tornja vetroturbine,

Slika 4 prikazuje toranj vetroturbine prikazan na sl. 3 sa naznakom zone u kojoj su postavljene jedinice generatora vrtloga,

Slika 5 prikazuje sliku koja odgovara sl. 4, međutim, prikazuje drugu zonu u kojoj su postavljene jedinice generatora vrtloga,

Slika 6 prikazuje pojednostavljeni toranj vetroturbine,

Slika 7 prikazuje pojednostavljeni grafikon kritičnog smicanja u odnosu na brzinu vetra za toranj vetroturbine prikazan na sl.6,

Slika 8 prikazuje pojednostavljeni grafikon za vibracije izazvane vrtlogom u odnosu na energetski unos za toranj vetroturbine prikazan na sl.6,

Slike 9-12 prikazuju grafikone za prvi i drugi režim vibracija za toranj vetroturbine koji ima jedinice generatora vrtloga postavljene u zoni prikazanoj na sl.4, i

Slike 13-16 prikazuju grafikone za prvi i drugi režim vibracija za toranj vetroturbine koji ima jedinice generatora vrtloga raspoređene u zoni prikazanoj na sl.5.

Detaljan opis pronalaska

[0074] U daljem tekstu slike će biti opisane jedna po jedna, a različiti delovi i položaji koji se vide na slikama biće numerisani istim brojevima na različitim slikama. Svi delovi i položaji naznačeni na određenoj slici neće nužno biti razmatrani zajedno sa tom slikom.

Lista brojeva pozicija

[0075]

1 turbina

2 toranj

3 temelj

4 gondola

5 središte rotora

6 lopatica rotora vetroturbine

7 prvi kraj lopatice (korenski kraj)

8 drugi kraj lopatice (vršni kraj)

9 jedinica generatora vrtloga

10 rebro

11 osnova

12 dužina

13 visina

14 donji deo

15 srednji odeljak (međudeo)

16 gornji odeljak

17 zona

18 dno tornja

19 vrh tornja

20 druga zona

21 donji odeljak

22 gornji odeljak

23 grafik

24 grafik.

[0076] Na slici 1 se vidi uobičajena vetroturbina 1 koja obuhvata toranj 2 postavljen na osnovu 3. Na vrhu tornja 2 vidi se gondola 4 koja obuhvata npr. menjač, generator i druge komponente. Na gondoli 4 je, takođe, ugrađena osovina za nošenje rotora koja sadrži središte 5 rotora i tri lopatice 6 rotora vetroturbine. Lopatice 6 rotora su postavljene na središtu 5 rotora na prvom kraju 7 koji se naziva korenski kraj lopatice 6 rotora. Drugi kraj 8 lopatica 6 rotora čini vršni kraj.

[0077] Slika 2A prikazuje prvo tehničko rešenje jedinice 9 generatora vrtloga. Jedinica 9 generatora vrtloga obuhvata rebro 10 i osnovu 11. I rebro 10 i osnova 11 su formirani kao ploče pravougaonog oblika. Rebro 10 je postavljeno sa pružanjem pod pravim uglom na orijentaciju osnove 11.

[0078] Rebro 10 ima dužinu 12 i visinu 13 iznad osnove 11. U ovom tehničkom rešenju, rebro 10 je postavljeno na jednoj strani osnove 11.

[0079] Slika 2B prikazuje dodatno tehničko rešenje za jedinicu 9’ generatora vrtloga. Jedinica 9’ generatora vrtloga sadrži rebro 10’ i osnovu 11’. I rebro 10’ i osnova 11’ su formirane ploče pravougaonog oblika. Rebro 10’ ima dužinu 12 i visinu 13 iznad osnove 11’.

[0080] U ovom tehničkom rešenju rebro 10’ je postavljeno u međupoložaju osnove 11’. Rebro 10’ je postavljeno centralno na osnovu 11’. Međutim, rebro 10’ može alternativno da bude pomereno dalje na jednu ili drugu stranu.

[0081] Takođe je moguće da rebro 10 ili 10’ može da ima dužinu 12 koja se razlikuje od dužine osnove 11, 11’.

[0082] Na sl.2A i 2B rebro i osnova su prikazani sa oštrim ivicama. Međutim, ovo je u ilustrativne svrhe. Rebro i osnova mogu da imaju zaobljene ivice kako bi se bolje obezbedio nesmetan tok vetra oko jedinice generatora vrtloga.

[0083] Slika 3 prikazuje princip geometrije tornja od 140 metara za vetroturbinu. Geometrija obuhvata donji odeljak 14 tornja, koji je cilindričan i ima visinu od 80 metara i prečnik od 4 metra. Štaviše, toranj obuhvata srednji odeljak 15 koji ima konusni oblik koji se smanjuje od prečnika od 4 metra do prečnika od 3,66 metara tokom visine od 30 metara. Dalje, toranj obuhvata gornji odeljak 16 koji je cilindričan i ima visinu od 30 metara i prečnik od 3,66 metara.

[0084] Stvarne dimenzije su u ilustrativne svrhe i tornjevi mogu imati bilo koju drugu visinu i bilo koju drugu dimenziju osim prikazanih dimenzija.

[0085] Slika 4 prikazuje toranj 2 koji ima prvu zonu 17 u kojoj su postavljene jedinice 9, 9’ generatora vrtloga. Prva zona 17 se prostire od visine od 90 metara od dna 18 tornja, koje se postavlja na tlo ili temelj 3, do vrha 19 tornja.

[0086] Slika 5 prikazuje drugu zonu 20 u kojoj su postavljene jedinice 9,9’ generatora vrtloga. Druga zona 20 je postavljena u visini od 30 metara i prostire se od pozicije 90 metara iznad dna 18 tornja do pozicije 120 metara iznad dna 18 tornja.

[0087] Slike 6-8 prikazuju primer namenjen da prikaže uslove za vibracije izazvane vrtlogom (VIV) na tornju.

[0088] Brzina vetra u zaključavanju („lock-in“) je regulisana Strouhalovim brojem, prečnikom i frekvencijom tornja:

U.lock_in = f.konstrukc.*prečnik/Strouhalov broj ;;[0089] Za cilindar se kaže da je „zaključan“ kada je frekvencija oscilovanja jednaka učestalosti osipanja vrtloga. U ovom regionu se javljaju najveće amplitudne oscilacije. ;[0090] Toranj 2 prikazan na sl.6 obuhvata donji odeljak 21 koji ima kružno cilindrično tehničko rešenje i gornji odeljak 22 koji ima konusni oblik. ;[0091] Dakle, prečnik je konstantan ispod i opada sa većom nadmorskom visinom iznad. Brzina vetra u zaključavanju je regulisana Strouhalovim brojem, prečnikom i frekvencijom tornja: ;U.lock_in = f.konstrukc.*prečnik/Strouhalov broj

[0092] Dakle, za konstantan Strouhalov broj brzina vetra u zaključavanju je konstantna na cilindričnom odeljku. Duž konusnog odeljka, brzina vetra u zaključavanju opada sa nadmorskom visinom kako se prečnik smanjuje prema gornjoj formuli.

[0093] Na sl.7 kritično smicanje je prikazano u odnosu na brzinu vetra za toranj prikazan na sl.6.

[0094] Brzina vetra u zaključavanju je ilustrovana krivom označenom sa 26 na sl. 7. Kriva 25 prikazuje pozitivno smicanje vetra sa datom maksimalnom brzinom vetra na vrhu tornja. Vidi se da se dve krive ukrštaju na datoj nadmorskoj visini. Ova visina je na konusnom odeljku u ovom primeru, ali može biti bilo gde duž tornja. Na mestu gde se dve krive presecaju frekvencija vrtloga je jednaka frekvenciji tornja i dolazi do zaključavanja i pretpostavljaju se najveće sile uzgona od vrtloga do vibracije tornja. Udaljavajući se od zaključavanja u visini, na obe strane, vrtložne sile se smanjuju.

[0095] Vrtložne sile pomnožene brzinom tornja obezbeđuju ulaznu snagu za ukupnu vibraciju tornja. Energetski unos je prikazan krivom označenom sa 27 na sl.8.

[0096] Slika 8, takođe, prikazuje činjenicu da, za određene uslove, sile uzgona proizvode negativan energetski unos za vibraciju. Uslovi za negativni energetski unos nastaju kada je razlika između brzine vetra u zaključavanju i stvarne brzine vetra dovoljno velika da napravi fazni pomak između sila uzgona i brzine tornja veća od /- pi/2.

[0097] Slike 9-12 prikazuju različite grafike za amplitude izazvane vibracijama izazvanim vrtlogom i prigušenjem na različitim lokacijama zone 17 prikazane na sl. 4.

[0098] Slike 13-16 prikazuju različite grafikone za amplitude izazvane vibracijama izazvanim vrtlogom i prigušenjem na različitim lokacijama zone 20 prikazane na sl. 5.

[0099] Na slikama 9-16 grafikon 23 prikazuje prvi režim, a grafikon 24 prikazuje drugi režim.

[0100] Na desnoj strani amplituda drugog režima je prikazana u metrima, a na levoj strani amplituda prvog režima je prikazana u metrima.

[0101] Na slikama 9-12 su prikazane amplitude u poređenju sa pružanjem zone 17. Horizontalna osa označava pružanje zone 17. Slike predstavljaju početak zone 17 u metrima iznad dna 18 tornja.

[0102] Na desnoj strani ove horizontalne ose je prikaz tornja nazvan „glatko“. Ovo ukazuje da na tornju nema postavljenih jedinica generatora vrtloga. Shodno tome, grafici 23 i 24 prikazuju na krajnjoj desnoj strani amplitudu za prvi i drugi režim vibracije indukovane vrtlogom oko tornja bez montiranih jedinica generatora vrtloga.

[0103] Različite slike 9-12 prikazuju amplitude pod različitim uslovima.

[0104] Slika 9 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,0, a smicanje vetra 0,0.

[0105] Slika 10 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,10, a smicanje vetra 0,0.

[0106] Slika 11 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,0, a smicanje vetra 0,1.

[0107] Slika 12 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,1, a smicanje vetra 0,1.

[0108] Na slikama 13-16 su prikazane amplitude u poređenju sa pružanjem zone 20. Horizontalna osa označava pružanje zone 20. Slike predstavljaju početak i kraj zone 20 u metrima iznad dna 18 tornja.

[0109] Na desnoj strani ove horizontalne ose je prikaz tornja nazvan „glatko“. Ovo ukazuje da na tornju nema postavljenih jedinica generatora vrtloga. Shodno tome, grafici 23 i 24 prikazuju na krajnjoj desnoj strani amplitudu za prvi i drugi režim vibracije indukovane vrtlogom oko tornja bez montiranih jedinica generatora vrtloga.

[0110] Različite slike 13-16 prikazuju amplitude pod različitim uslovima.

[0111] Slika 13 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,0, a smicanje vetra 0,0.

[0112] Slika 14 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,1, a smicanje vetra 0,0.

[0113] Slika 15 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,0, a smicanje vetra 0,1.

[0114] Slika 16 prikazuje situaciju gde je turbulencija 0,1, a smicanje vetra 0,1.

[0115] Iz grafika na slikama 9-16 zaključuje se da je primarni faktor za velike amplitude turbulencija, a sekundarni faktor za velike amplitude je smicanje vetra za prvi režim.

[0116] Za drugi režim se zaključuje da je primarni faktor za velike amplitude smicanje vetra, a sekundarni faktor za velike amplitude turbulencija.

[0117] Iz grafika se zaključuje da je najbolje pozicioniranje jedinica generatora vrtloga zona od 30 metara koja se proteže od 70 do 100 metara iznad dna 18 tornja u tornju od 140 metara.

[0118] Pronalazak nije ograničen na ovde opisana tehnička rešenja i može se modifikovati ili prilagoditi bez odstupanja od obima predmetnog pronalaska kao što je opisano u patentnim zahtevima u daljem tekstu.

Claims

Patentni zahtevi

1. Vetroturbina (1) koja ima kružnu i konusnu konstrukciju tornja (2) sa sredstvom za pasivnu kontrolu protoka za suzbijanje vibracija indukovanih vrtlozima u navedenoj konstrukciji tornja, pri čemu konstrukcija tornja uključuje kružni cilindrični donji odeljak (21) i konusni gornji odeljak (22), pri čemu navedeno sredstvo za pasivnu kontrolu protoka obuhvata jedinice (9) generatora vrtloga od kojih svaka obuhvata rebro (10) i osnovu (11) preko koje je rebro (10) pričvršćeno za površinu konstrukcije tornja kako bi uticalo na granični sloj oko konstrukcije tornja i na taj način se potiskivale vibracije izazvane vrtlogom i svako od navedenih rebara (10) obuhvata pravougaonu ploču koja je postavljena u suštini radijalno u odnosu na kružnu ili konusnu konstrukciju tornja i svako od rebara (10) je raspoređeno pod uglom između 0° i 30° u odnosu na ravan koja je pod pravim uglom na uzdužnu osu kroz konstrukciju tornja,. pri čemu jedinice (9) generatora vrtloga pokrivaju više od 30% gornjeg dela visine tornja (2) vetroturbine.

2. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 1, naznačena time što navedena konstrukcija tornja obuhvata dve ili više jedinica (9) generatora vrtloga, poželjno četiri ili više, koje su simetrično postavljene duž obima ili dela obima konstrukcije tornja.

3. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 1 ili 2, naznačena time što navedena konstrukcija tornja obuhvata dve ili više jedinica (9) generatora vrtloga, poželjno četiri ili više, postavljenih u različitim odeljcima duž najmanje dela visine konstrukcije tornja.

4. Vetroturbina prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačena time što navedena rebra (10) imaju visinu (13) koja je manja od 5% prečnika konstrukcije tornja, poželjno manja od 3% prečnika konstrukcije tornja.

5. Vetroturbina prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačena time što su jedinice (9) generatora vrtloga postavljene duž spiralne putanje na površini konstrukcije tornja.

6. Vetroturbina prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva 1-4, naznačena time što su jedinice (9) generatora vrtloga postavljene po šablonu koji obuhvata više slojeva duž visine konstrukcije tornja i sa više jedinica generatora vrtloga u svakom sloju duž obima konstrukcije tornja i što su jedinice (9) generatora vrtloga u jednom sloju pomerene duž obima u poređenju sa položajem jedinica (9) generatora vrtloga u susednom sloju.

7. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 1, naznačena time što konstrukcija tornja ima visinu od 100 metara ili više, poželjno 140 metara ili više i što jedinice (9) generatora vrtloga pokrivaju više od 30% i najviše 50% gornjeg dela konstrukcije tornja.

8. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 7, naznačena time što su jedinice (9) generatora vrtloga postavljene na međusobnom rastojanju većem od 1 metra.

9. Upotreba vetroturbine (1) sa jedinicama (1) generatora vrtloga prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva za rešavanje problema sa prvim i drugim režimom vibracija u konstrukciji tornja.