(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. F03D 3/06 (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato.. (30) Prioritet , PL, (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Anew Institute Sp. z.o.o., Ul. Plk. Dabka 9, Krakow, Polen (72) Oppfinner NAUMENKO, Anatoliy, ul. Krasnoarmiejska 48/40, Kijów, Ukraina (74) Fullmektig Acapo AS, Postboks 1880 Nordnes, 817 BERGEN, Norge (4) Benevnelse Vindturbin med vertikal rotasjonsakse (6) Anførte publikasjoner DE-A EP-A EP-A US-A WO-A-02/093006

2 Oppfinnelsen er en vindturbinrotor med en vertikal rotasjonsakse, brukt i turbiner som anvender Darrieus-prinsippet når den omarbeider vindenergien til mekanisk energi med rotasjonsbevegelsen. Løsninger med turbinrotorer med vertikal akse er kjent bl.a. fra patentbeskrivelsene til US og US har, når de er koblet til navet til drivakselen, minst to horisontale støtter med vertikalt monterte rotorblader på endene. Rotorblader har for det meste en symmetrisk vingeprofil og er koblet med støtten i senterområdet i sin høyderetning, med deling av bladet i den øvre vingen og den nedre vingen. Under rotorbevegelsen som utøves av vindtrykket vekk fra den drivende aerodynamiske kraften, er det også sentrifugalkraft. Begge kreftene opptrer i sentrene til massen til de to vingene. Begge kreftene på halve sirkelbanen til bladrotasjonen er rettet i samme retning hvilket resulterer i langsgående deformasjon av vingene og høy bøyepåkjenning i sammenkoblingssonen til bladet og støtten. På den andre halvdelen av sirkelen er det på begge krefter i motsatt retning. De pulserende lastendringene, inkludert polaritetsendringer, har en vesentlig ugunstig virkning på turbinslitasje og utstyrseffektivitet. Kjente løsninger består av å sette inn tilleggselementer i konstruksjonen av rotoren for å stive av vingene. For eksempel kan dette være avstivningsstag slik som rotoren som er beskrevet i britisk patent GB 21730, eller tilleggsstøtter som vist i tysk patent DE Det å introdusere styrkende elementer resulterer i økning av den aerodynamiske motstanden og reduksjon av turbinvirkningen, spesielt dersom de omfatter skarpe vinkelutforminger, hvilket legger til rette for volummessig turbulens. Den negative virkningen fra sentrifugalkraften fører til delvis reduksjon av bruken av den varierende vingeprofilen over rotorlengden, der lengden til vingekorden og tykkelsen til vingebladet minker mot begge vinge-endene. Slike løsninger, blant andre, ble anvendt i rotoren som ble presentert i patentbeskrivelsen EP I den korte beskrivelsen av arbeidsbetingelsene og de tekniske problemene som opptrer i slike rotorer, er det nødvendig å antyde spredningen av den aerodynamiske kraften på den øvre og den nedre vingen og konstruksjonens tilbøyelighet til selv-eksiterte aeroelastiske vibrasjoner, det vil si vibrasjonen til vingene ved høy hastighet på den omkringliggende luften. Egenskapene til området kan ofte bestemme den betydelige reduksjonen til vindhastigheten ved det lave vingenivået. WO 07/0716A betraktes som nærmeste kjente teknikk.

3 Målet med denne oppfinnelsen er å tegne opp en enkel konstruksjon av rotoren, som er karakterisert ved høy stivhet og holdbarhet, lav aerodynamisk motstand og effektiv kraftoverføring av vindtrykket til den drivende kraften på rotorakselen. I denne oppfinnelsen, tilsvarende som for de ovenfor viste løsningene, omfatter rotoren minst to horisontale støtter som er koblet til navet. Rotorblader (der hver består av to vinger som er koblet sammen) med den symmetriske eller konkavkonvekse vingeprofilen med kordelengder og vingeprofil-tykkelse som avtar mot begge vinge-ender, er festet godt til begge endene av støttene. Kjernen i oppfinnelsen er at den øvre og den nedre vingen til rotorbladet bøyer av fra den sentrale sonen og radielt utover i en vinkel relatert til rotasjonsaksen. Samtidig er kordelengdene til vingeprofilen ved begge vingenes ender og kordelengden i den sentrale sonen tilnærmet omvendt proporsjonal med radiene til sin posisjon relatert til rotasjonsaksen. Bruken av rotoren med avbøyde vinger som, samtidig som kordetykkelsen har reduserende tykkelse på vingen mot sine ender, skaffer tilveie en stabil intensitet av vindkraftopptak langs vingenes lengde. Endrende korde og tykkelse for å flytte bladenes masse mot sentrum av vingen senker bøyemomentet fra sentrifugalkraft på bladene og deres deformasjon. Frekvensen til frie vibrasjoner av bladene med avbøyde vinger og reduserende korde og tykkelse på vingeprofil er høyere enn med rette blader. Dette gunstige resultatet er spesielt synlig under vindkast. De avbøyde vingene introduserer aerodynamisk vridning vinkelen til den innkommende luftstrømmen nær den sentrale sonen til vingen er større en den ved vingenes ender. Variasjonen til angrepsvinkelen eliminerer i praksis faren for risting. Målet med de videre utførelsesformene av oppfinnelsen er å eliminere innflytelsen fra ulike vindhastigheter som opptrer ved den øvre og den nedre delen av rotoren. For dette formålet er det anbefalt at avbøyningsvinkelen til den nedre vingen i rotoren bør være større enn vinkelen til den øvre avbøyningsvinkelen. Den anbefalte vinkeldifferansen er i området 1 til. Løsningen der den nedre vingen er lenger enn den øvre er også fordelaktig. En lengdeforskjell i området 2% til 1% er anbefalt. I henhold til oppfinnelsen er det å anbefale å bruke støtter med den symmetriske vingeprofilen og horisontalt plasserte korder, så vel som at slike forbindelser med navet går gjennom vingebladenes geometriske senter og går gjennom rotasjonsaksen.

4 Med referanse til det faktum at rotoren arbeider med best mulige virkning dersom den optimale angrepsvinkelen er for et smalt område av vindhastigheter, er det også nyttig å koble drivbladene med støttene for å bruke kjente settpunkter av angrepsvinkler, hvilket muliggjør regulering i området fra -2 til +3. For å forstå oppfinnelsen i sin helhet er det vist et eksempel på den skjematiske gjennomføringen av rotoren vist på tegningen. Bestemte figurer på tegningen viser: Fig. 1 perspektivvisning av rotoren med avbøyde vinger, Fig. 2 sidevisning, Fig. 3 visning av vingen fra retningen markert med bokstaven X på Fig. 2, Fig. 4 visning av den andre rotoren med vinger av ulik lengde og ulikt avbøyde vinkler på øvre og nedre vinger, mens Fig. er en visning fra ovenfor rotoren i et utsnitt i henhold til linjen Y-Y markert på Fig. 4. Rotoren er fiksert på navet 1 til drivaksellageret som står vertikalt i tårnet til vindturbinen 4. To horisontale støtter 2, med det symmetriske vingebladet er fiksert til nav 1. Vingeblad-korden til støtter er horisontale og den langsgående aksen, som går gjennom det geometriske senteret til vingebladene, skjærer gjennom rotorens rotasjonsakse. Rotorbladet 3 er fiksert til enden av hver støtte 2, bladet er koblet til støttene 2 ved sitt senterområde 3c i sin egen lengde. Den øvre vingen 3a og den nedre vingen 3b til rotorbladet 3 har den samme lengden, begge vingene er avbøyd radielt utover og vinkelen relatert til rotasjonsaksen er β 1 = β 2. Tverrsnitt av den øvre vingen 3a og den nedre vingen 3b har det symmetriske eller konkav-konvekse vingebladet med kordelengdene fra b 1 til b 2 avtrappende mot begge vinge-ender og vingeblad-tykkelsen fra c 1 til c 2. Kordelengdene b 2 til vingebladet i begge ender av vingene 3a, 3b og kordelengden b1 i det sentrale området 3c, er omvendt proporsjonal med radien R 1, R 2 på sitt sted, relatert til rotasjonsaksen, som uttrykt i relasjonen: b 1 /b 2 = R 2 /R 1. Når bladets formegenskaper anvendes på slike dimensjons og form-relasjoner, blir vindkraftopptaket stabilt langs hele lengden til vingen og, på samme tid, blir angrepsvinkelen α 1, α 2 til hastighetsresultanten T 1, T 2 til luftstrømmen langs vingen redusert. Det er vist i Fig. 3, der bestemte elementære overflater på vingene er symbolsk merket "1 cm" skal generere identisk aerodynamisk kraft, i henhold til formelen: Y = C y x S x ρ x V 2 /2, 3 Der:

5 4 C y = S = ρ = V = indikerer en koeffisient som er avhengig av formen på vingebladet og en vinkel på den innkommende luftstrømmen, areal av den elementære overflaten til vingen, luftens tetthet hastigheten til den innkommende luftstrømmen I nærheten av det sentrale området 3c er verdien til produktet C y x S høyere enn ved enden av vingen, der V 2 har en dominerende verdi. I tilfelle kastevinder kan vindens angrepsvinkel α overstige den kritiske verdien. Ved å forandre verdien til vingens avbøyning og størrelsene til korden i det sentrale området og vingens ende, er det mulig å oppnå jevn fordeling av den aerodynamiske kraften langs vingen. I rotoren minker, ifølge oppfinnelsen, vinkelen til den innkommende luftstrømmen kontinuerlig fra α 1 i sentersonen 3c til α 2 ved endene til vingene 3a, 3b dannelse av aerodynamisk vridning. Vingen med aerodynamisk vridning har sin kritiske angrepsvinkel startende i den sentrale sonen og kan gradvis nå enden av vingen. Dette er årsaken til at prosessen med dannelse av den turbulente sonen bak vingene også har gradert karakter som ikke provoserer frem pulsering i turbin eller vibrasjoner i tårnet 4 og støtter 2, hvilket opptrer i turbiner med rette bladrotorer. Avbøyningen utover av vingene 3a, 3b gjør det mulig å avkorte støtten 2 hensiktsmessig hvilket reduserer at aerodynamisk drag på turbinen får den reduserende virkningen på turbinens aerodynamiske motstand. Rotoren som er innrettet på den balanserte vindkraftkonsumpsjonen med den øvre vingen 3a og den nedre vingen 3b, er vist på figur 4, for steder der vindhastigheten har stor variasjon, avhengig av høyden over bakkeplanet. Forskjellen mellom aerodynamiske krefter som opptrer på den nedre vingen 3b og den øvre vingen 3a danner uheldig vridningsmoment på støttene. Balansen til de aerodynamiske kreftene kan sikres ved bruk av en større (for eksempel 3 ) avbøyningsvinkel β 2 til den nedre vingen 3b enn avbøyningsvinkelen β 1 til den øvre vingen 3a, hvilket opprettholder lik lengde på vingene l 1 = l 2. Økningen av avbøyningsvinkelen øker omkretshastigheten til den nedre vingen og aerodynamiske krefter som genereres av de øvre og nedre vingene blir like. Lastbalansen til den øvre 3a og den nedre 3b vingen kan også oppnås med like avbøyningsvinkler β 1 = β 2, men med lenger kortere vingelengde l 2 på nedre vinge 3b for eksempel omtrent % lenger enn lengden l 1 til den øvre vingen 3a. Testing av rotorprototypen, som spesifisert i oppfinnelsen, avslørte at den maksimale effektiviteten til kraftoverføringen for de ulike vindhastighetene W blir oppnådd med ulike angrepsvinkler γ, mellom sentersonekorden 3c og tangentlinjen

6 til banen til bevegelse i denne seksjonen, Fig.. for eksempel er for vindhastigheten W = 6 m/s, vinkelen = -2, for W = 9, m/s, vinkelen = 0, W = 11 m/s, vinkelen = +2. Rotoren til søknadsgjenstanden er utstyrt med en i teknikkens kjente innebyggede støtter 2, hvilket muliggjør endring av angrepsvinkelen γ under drift av turbinen. 1

7 6 Patentkrav 1 1. En vindturbinrotor med en vertikal rotasjonsakse som er koblet sammen med et nav, minst to horisontale støtter, der det på enden er rotorblader, fiksert fast i sin sentrale sone til endene av støttene, der hvert rotorblad består av to vinger som er festet sammen, der tverrgående seksjoner på disse vingene der de har en symmetrisk eller konkav-konveks vingeprofil der lengden til kordene og tykkelsen til vingeprofilen er redusert mot enden av vingene, karakterisert ved at den øvre vingen (3a) og den nedre vingen (3b) til rotorbladet (3) er avbøyet radielt fra den sentrale sonen (3c) og utover, hvilket danner en avbøyningsvinkel (β 1, β 2 ) mot rotorens rotasjonsakse, der kordelengdene (b2) til vingeprofilen ved begge vingeender (3a, 3b) og lengden til korden (b1) til i den sentrale sonen (3c) er omtrent omvendt proporsjonal med radiene (R1, R2) på sitt sted relatert til rotorens rotasjonsakse. 2. Rotor ifølge krav 1, der avbøyningsvinkelen (β 2 ) til den nedre vingen (3b) er større enn avbøyningsvinkelen (β 1 ) til den øvre vingen (3a). 3. Rotor ifølge krav 2, der avbøyningsvinkelen (β 2 ) til den nedre vingen (3b) er 1 til 2 større enn avbøyningsvinkelen (β 1 ) til den øvre vingen (3a). 4. Rotor ifølge krav 1 eller krav 2, der lengden (l 2 ) til den nedre vingen (3b) er større enn lengden (l 1 ) til den øvre vingen (3a). 2. Rotor ifølge krav 4 der lengden (l 2 ) til den nedre vingen (3b) er 2% til 1% større enn lengden (l 1 ) til den øvre vingen (3a) Rotor ifølge krav 1, der støttene (2) har en symmetrisk vingeprofil med en horisontalt posisjonert korde og en langsgående akse til støttene går gjennom det geometriske senteret til vingeprofilene og går gjennom rotorens rotasjonsakse Rotor ifølge ett av kravene 1 til 6, der rotorbladene (3) er koblet til støttene (2) ved hjelp av kjente settpunkter for angrepsvinkler (γ) som setter stallingsvinkelen (γ) hvilket muliggjør endringer i området -2 til +3.

8 7 støttene (2) har en symmetrisk vingeprofil med en horisontalt posisjonert korde og en langsgående akse til støttene går gjennom det geometriske senteret til vingeprofilene og går gjennom rotorens rotasjonsakse.

9

10