PL B1. UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU, Wrocław, PL WŁUDARCZYK TOMASZ SANCHEZ, Leszno, PL BUP 11/15

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F03D 1/06 ( ) F03D 3/06 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Łopata wirnika mini turbiny wiatrowej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/16 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU, Wrocław, PL WŁUDARCZYK TOMASZ SANCHEZ, Leszno, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR KOMARNICKI, Wrocław, PL LESZEK ROMAŃSKI, Żerniki Wrocławskie, PL JERZY BIENIEK, Wrocław, PL MARCIN DĘBOWSKI, Wrocław, PL TOMASZ WŁUDARCZYK, Leszno, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Olszewska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest łopata wirnika mini turbiny wiatrowej, której kształt oraz zastosowanie materiałów umożliwia zwiększenie sprawności aerodynamicznej (współczynnika mocy) oraz wpływa na zwiększenie uzyskiwanej mocy mini turbiny. Rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w mini turbinach jedno- lub wielowirnikowych, zwłaszcza trójłopatowych, w których wirnik jest położony w płaszczyźnie pionowej, a oś obrotu jest równoległa do kierunku wiatru. Elektrownie wiatrowe o mocach nie przekraczających 1 kw można zaliczyć do mini a z punktu widzenia energetyki nawet mikroźródeł. Zwykle takie elektrownie są montowane w miejscach, gdzie pobór energii jest niewielki a koszt podłączenia instalacji i opomiarowania odbiorników stosunkowo wysoki. Mini elektrownie wiatrowe mogą służyć do zasilania odbiorników mobilnych np. urządzenia na jachcie, w przyczepie kempingowej lub odbiorników stacjonarnych takich jak nadajniki, odbiorniki sygnałów radiowych, kamery telewizji przemysłowej, monitoringu, drobne punkty oświetleniowe, nadajniki telekomunikacyjne czy też po prostu służyć jako ładowarki dla innych drobnych urządzeń. W warunkach przydomowych mini elektrownia musi pracować już przy małej prędkości wiatru, a takie warunki tam najczęściej występują. Przy średnicach wirników mini turbin wiatrowych 0,7 do 2,0 m moc generowana nie przekracza zwykle 1,0 kw i często jest zbyt mała aby mogła być wykorzystana do zasilania odbiorników. Najprostszym sposobem zwiększenia mocy jest budowanie wirników o większej średnicy. Zwiększanie średnicy wirników wykluczone jest w mini siłowniach (turbinach) wiatrowych, gdyż automatycznie generuje duże koszty budowy. Ideałem jest zwiększenie mocy przy tej samej średnicy wirnika. Uzyskać to można zwiększając jego sprawność aerodynamiczną, przykładowo poprzez zmniejszenie masy łopatek przy wzroście jej wytrzymałości jednostkowej, Znane jest podwyższanie sprawności pracy turbiny poprzez zastosowanie do wykonania łopat odpowiednio lekkich i wytrzymałych materiałów konstrukcyjnych opartych na kompozytach złożonych z żywic, włókien szklanych i węglowych. Z WO 00/14405 jest znane wzmocnienie łopatek turbiny wiatrowej z polimeru z włóknem szklanym z wzdłużnymi wstęgami polimeru wzmocnionego włóknami węglowymi. US 6,287,122 ujawnia wytwarzanie wydłużonych produktów kompozytowych, w których zmiana sztywności produktu na jego długości jest uzyskana poprzez zmianę zawartości włókien lub kąta orientacji splecionych włókien. Inny sposób zwiększania generowanej mocy przez siłownię wiatrową (przy stałej średnicy wirnika) stosowany przy konstruowaniu elektrowni wiatrowych o dużych mocach to stosowanie łopat wieloprofilowych (Świtoński i in. 2007). Nie są znane konstrukcje łopat mini siłowni, oparte na dwóch wydajnych profilach. Autorzy wniosku projektując wirnik mini turbiny wiatrowej z lekkiego tworzywa sztucznego o dużej wytrzymałości również wykorzystali tę ideę. Zwiększanie średnicy wirników wykluczone jest w mini siłowniach wiatrowych, gdyż automatycznie generuje duże koszty budowy takiej elektrowni. Ideałem jest zwiększenie mocy przy tej samej średnicy wirnika. Celem wynalazku jest prosta konstrukcja, nowego rozwiązania łopaty mini turbiny wiatrowej, która umożliwia zwiększenie mocy mini turbiny jedno lub wielowirnikowej trójłopatowej, bez jednoczesnego zwiększania średnicy wirnika. Według wynalazku, cel jest osiągnięty, kiedy łopatka zbudowana jest na bazie dwóch wydajnych profili aerodynamicznych, zapewniających zarówno maksymalną doskonałość kształtu, jak i wysoki moment obrotowy łopatki. Istotą wynalazku jest to, że kształt wyznaczają dwa wydajne profile aerodynamiczne, gdzie płaszczyzna profilu początkowego, znajdującego się jako pierwszego od strony trzpienia mocującego, jest profilem NACA , natomiast płaszczyzna profilu końcowego, jako drugiego od strony trzpienia mocującego, jest profilem NACA Odległość płaszczyzny profilu początkowego od środka obrotu wirnika wynosi od 0,10 do 0,15 średnicy wirnika, natomiast odległość profilu końcowego od środka obrotu wirnika wynosi od 0,90 do 0,95 średnicy wirnika. Kąt zaklinowania profilu początkowego mieści się w zakresie od 35 do 45, a końcowego w zakresie od 5 do 13, Powierzchnia łopaty wyznaczona jest przejściem od płaszczyzny profilu początkowego do płaszczyzny profilu końcowego wzdłuż prostej prowadzącej, łączącej prostopadle dwa punkty znajdujące się w zakresie od 25 do 35% długości cięciw obu płaszczyzn profili aerodynamicznych. Po przejściu wzdłuż prostej prowadzącej, oba profile wytyczają krzywe krawędzi natarcia i spływu, przy czym łagodne przejścia tych krzywych, zo-

3 PL B1 3 stały uzyskane na drodze modelowania bryłowego dla ustawionego kąta przejścia przez przekroje wynoszącego 90. Wyznaczone punkty na cięciwach są środkami obrotów obu profili. Położenie trzpienia mocującego, liczone od krawędzi natarcia, stanowi od 20 do 40% długości cięciwy płaszczyzny profilu początkowego. Korzystnie jest, gdy kąt zaklinowania profilu początkowego wynosi 40, a profilu końcowego wynosi 8. Korzystnie także jest, gdy położenie trzpienia mocującego stanowi 30% długości cięciwy profilu początkowego. Zaletą konstrukcji łopaty, według wynalazku, jest to, że umożliwia ona zwiększenie sprawności aerodynamicznej oraz uzyskiwanej mocy mini turbiny wiatrowej w zakresie 15 30%. Optymalny zakres mocy zależy od kąta zaklinowania łopat względem płaszczyzny obrotu wirnika. Wynalazek jest wyjaśniony bardziej szczegółowo na poniższych rysunkach, na których: fig. 1 przedstawia schematycznie zarys płaszczyzny profilu początkowego łopaty mini turbiny wiatrowej NACA wraz ze szkieletową profilu 1a, cięciwą profilu 2a, grubością profilu 3a, krzywą profilu 4a, fig. 2 przedstawia schematycznie zarys płaszczyzny profilu końcowego łopaty mini turbiny wiatrowej NACA wraz ze szkieletową 1b, cięciwą 2b, grubością profilu 3b, krzywą profilu 4b, fig. 3 i fig. 4 przedstawiają dwa różne warianty łopaty mini turbiny wiatrowej w widoku z góry wraz z zaznaczonymi płaszczyznami profilu początkowego 6, końcowego 5 oraz trzpieniem mocującym 7, fig. 5 przedstawia widok łopaty od strony trzpienia mocującego wraz z zarysem płaszczyzny profilu początkowego 6, końcowego 5, trzpieniem mocującym 7 oraz krzywymi sterującymi na krawędziach nośnej 8 i spływu 9. P r z y k ł a d 1: Łopata wirnika mini turbiny wiatrowej, wykonana według niżej opisanego sposobu, której konstrukcja oparta jest na dwóch profilach aerodynamicznych, gdzie profil początkowy jest profilem NACA , natomiast profil końcowy jest profilem NACA Kąt zaklinowania profilu początkowego = 40 a końcowego = 8. Powierzchnia łopaty wyznaczona jest płynnym przejściem od profilu początkowego do końcowego wzdłuż krzywych natarcia 8 i spływu 9, dla których kontur powierzchni wyciągnięcia stanowi normalna do powierzchni, w miejscach, gdzie przechodzi ona przez te przekroje. Położenie trzpienia mocującego 7, liczone od krawędzi natarcia 8, stanowi od 30% długości cięciwy profilu początkowego. Łopata mini turbiny wykonana jest z kompozytu epoksydowo szklanego. Zbrojenie kompozytu stanowią tkaniny szklane o gramaturze w zakresie g m -2, a rolę spoiwa może pełnić żywica epoksydowa oparta na bazie Bisfenolu. Wierzchnią warstwę łopatki stanowi warstwa białego żelkotu epoksydowego o grubości ok. 0,5 1,0 mm. Spoiwo stanowi żywica epoksydowa z dodatkiem środków tiksotropujących aerozolu oraz barwnika. Trzpień mocujący 7 może być wykonany z aluminium lub jego stopu. Łopatę mini turbiny wytwarza się w formie negatywowej, otrzymanej na drodze frezowania CNC, dzielonej na dwie części, w której powierzchnia podziału biegnie wzdłuż krawędzi natarcia 8 i spływu 9 oraz dzieli trzpień mocujący 7 w płaszczyźnie wzdłużnej. Pierwszym etapem wykonania łopatki jest nałożenie substancji antyadhezyjnej na powierzchnię formy. Następnie przy pomocy pędzla aplikuje się pierwszą warstwę żelkotu epoksydowego, na powierzchnie obu części formy. Po 6 godzinach częściowego utwardzania, nakłada się drugą warstwę żelkotu epoksydowego. Następnie układa się w formie uprzednio docięte formatki tkaniny szklanej o gramaturze g m -2. Tak przygotowaną warstwę, dodatkowo przesyca się żywicą epoksydową. Następnie układa się jeszcze dwie warstwy tkaniny szklanej o gramaturze g m -2. Tak przygotowany kompozyt pozostawia się w formie na 2 godziny, do częściowego utwardzenia. Kiedy żywica osiągnie stan żelu, na krawędzie form nakłada się spoiwo klej epoksydowy w postaci równomiernej ścieżki o grubości 6 mm. W otworze w formie, umieszcza się trzpień aluminiowy 7 i mocuje się go klejem. Po nałożeniu spoiwa części formy bazuje się zaczepami metalowymi i skręca przy pomocy ścisków stolarskich. Formę pozostawia się w temperaturze pokojowej na okres 24 godzin, po których rozformowuje się i obrabia wypływki w miejscach łączenia się części formy. Łopatka mini turbiny zostaje pokryta dwoma warstwami lakieru poliuretanowego, który pełni rolę dekoracyjno-ochronną. Lakier nakłada się przy pomocy natrysku pneumatycznego.

4 4 PL B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Łopata wirnika mini turbiny wiatrowej, wieloprofilowa, znamienna tym, że jej kształt wyznaczają dwa wydajne profile aerodynamiczne, gdzie płaszczyzna profilu początkowego (6), znajdującego się jako pierwszego od strony trzpienia mocującego (7), jest profilem NACA , natomiast płaszczyzna profilu końcowego (5), jako drugiego od strony trzpienia mocującego (7), jest profilem NACA , przy czym odległość płaszczyzny profilu początkowego (6) od środka obrotu wirnika wynosi od 0,10 do 0,15 średnicy wirnika, natomiast odległość profilu końcowego (5) od środka obrotu wirnika wynosi od 0,90 do 0,95 średnicy wirnika, przy czym kąt zaklinowania profilu początkowego mieści się w zakresie od 35 do 45, a końcowego w zakresie od 5 do 13, zaś powierzchnia łopaty wyznaczona jest przejściem od płaszczyzny profilu początkowego (6) do płaszczyzny profilu końcowego (5), wzdłuż prostej prowadzącej, łączącej prostopadle dwa punkty, z których każdy leży na jednej cięciwie płaszczyzny profilu (2a), (2b) oraz licząc od strony natarcia profilu, znajduje się w zakresie od 25 do 35% długości cięciw (2a), (2b), obu płaszczyzn profili aerodynamicznych (6), (5), które po przejściu wzdłuż prostej prowadzącej wytyczają krzywe krawędzi natarcia (8) i spływu (9), przy czym łagodne przejścia krzywych krawędzi natarcia (8) i spływu (9) zostały uzyskane na drodze modelowania bryłowego dla ustawionego kąta przejścia przez przekroje wynoszącego 90, natomiast położenie trzpienia mocującego (7), liczone od krawędzi natarcia (8), stanowi od 20 do 40% długości cięciwy (2a) płaszczyzny profilu początkowego (6). 2. Łopata, według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt zaklinowania profilu początkowego wynosi 40, a profilu końcowego = Łopata, według zastrz. 1, znamienna tym, że położenie trzpienia mocującego stanowi 30% długości cięciwy (2a) profilu początkowego.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)