ITBZ20070021A1

ITBZ20070021A1 - SUPPORT ARM FOR WIND TURBINE WINGS WITH VERTICAL ROTATION AXIS

Info

Publication number: ITBZ20070021A1
Authority: IT
Inventors: Lucio Zancai
Original assignee: Ropatec Srl
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2008-11-18
Also published as: WO2008141763A3; WO2008141763A2; EP2145102A2

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:

BRACCIO DI SUPPORTO PER ALI DI TURBINE EOLICHE AD ASSE DI ROTAZIONE VERTICALE SUPPORT ARM FOR WINGS OF WIND TURBINES WITH VERTICAL ROTATION AXIS

DESCRIZIONE DESCRIPTION

È noto che nelle turbine eoliche ad asse di rotazione verticale del tipo Darrieus le singole ali o pale, disposte verticalmente con andamento diritto curvo o elicoidale sono supportate generalmente da due piastre rotanti in un piano orizzontale o da bracci che si diramano a raggiera dal mozzo del rotore della turbina. La sezione di dette piastre, rispettivamente di detti bracci, generalmente è studiata in modo da ridurre possibilmente la resistenza rispetto al flusso d'aria che colpisce detti elementi e le ali le quali determinano la rotazione della turbina e da ridurre la resistenza rispetto all’aria attraversata da detti elementi di supporto durante la loro rotazione. It is known that in wind turbines with a vertical rotation axis of the Darrieus type, the individual wings or blades, arranged vertically with a straight curved or helical course, are generally supported by two rotating plates in a horizontal plane or by arms radiating from the hub of the turbine rotor. The section of said plates, respectively of said arms, is generally designed in such a way as to possibly reduce the resistance with respect to the air flow that strikes said elements and the wings which determine the rotation of the turbine and to reduce the resistance with respect to the air. crossed by said support elements during their rotation.

Generalmente quindi la sezione di detti elementi di supporto è possibilmente ridotta e presenta una forma piatta, eventualmente lenticolare o a profilo alare atta a ridurre l'impatto con l’aria ed a evitare possibilmente la formazione di vortici. Le sezioni con queste caratteristiche presentano lo svantaggio che in ogni caso non partecipano attivamente all'azionamento della turbina e che per la loro forma richiedono normalmente l’applicazione di più elementi di supporto (almeno due) per ciascuna ala. Generally, therefore, the section of said support elements is possibly reduced and has a flat shape, possibly lenticular or with an airfoil profile designed to reduce the impact with the air and possibly avoid the formation of vortices. The sections with these characteristics have the disadvantage that in any case they do not actively participate in the operation of the turbine and that due to their shape normally require the application of more support elements (at least two) for each wing.

L'invenzione si pone il compito di realizzare un braccio di supporto per ali di turbine eoliche ad asse di rotazione verticale adatto, nonostante la sua sezione considerevole avente forma più estesa e non piatta, a partecipare alla spinta rotazionale ottenuta tramite l’ala del rotore, per almeno parte della rotazione ed a presentare una resistenza minima, rispettivamente una ulteriore spinta (in funzione del regime), per la parte rimanente della rotazione determinando quindi una ottimizzazione del rendimento della turbina, offrendo inoltre la possibilità di rendere la sua struttura più stabile e migliorando le caratteristiche di avvio della rotazione in presenza di vento ad intensità relativamente bassa. The invention has the task of realizing a support arm for wind turbine wings with vertical rotation axis suitable, despite its considerable section having a more extended and not flat shape, to participate in the rotational thrust obtained through the rotor wing. , for at least part of the rotation and to present a minimum resistance, respectively a further thrust (depending on the speed), for the remaining part of the rotation thus determining an optimization of the turbine efficiency, also offering the possibility of making its structure more stable and improving the rotation initiation characteristics in the presence of relatively low intensity wind.

Per adempiere a questo compito l'invenzione propone un braccio avente sezione trasversale a paletta d’azione, per esempio del tipo paletta di turbina a gas, composta da una parte “anteriore", vista nel senso di rotazione, avente forma aerodinamica convessa, per esempio ad arco di cerchio, parabolica, a sezione di ogiva o a profilo alare in zona del bordo di attacco, con la cuspide, rispettivamente il vertice, rivolto verso la direzione del moto e da una parte “posteriore" a superficie concava avente anch’essa forma essenzialmente ad arco di cerchio o di parabola. I punti di contatto fra le superfici anteriore convessa e quella posteriore concava sono disposti essenzialmente nella zona di maggior estensione verticale della sezione comportando una interruzione brusca del profilo con la formazione di due bordi di fuga per il flusso d'aria che lambisce la superficie anteriore convessa. La sezione è essenzialmente simmetrica rispetto ad un asse orizzontale, essa può essere costante lungo tutta l’estensione longitudinale del braccio oppure variare, per esempio avendo verso il mozzo una cuspide più arrotondata ed una superficie concava meno profonda rispetto alla sezione nella zona in prossimità dell'ala dove la velocità di rotazione è maggiore e quindi la sezione può essere adattata alle condizioni di funzionamento diverse allo scopo di ottimizzare ulteriormente il rendimento. To accomplish this task, the invention proposes an arm having an action vane cross section, for example of the gas turbine vane type, consisting of a "front" part, seen in the direction of rotation, having a convex aerodynamic shape, for example of a circular arc, parabolic, ogive section or wing profile in the leading edge area, with the cusp, respectively the vertex, facing the direction of motion and a "rear" part with a concave surface also having essentially an arc of a circle or parabola. The points of contact between the convex front and concave rear surfaces are essentially arranged in the area of greatest vertical extension of the section, resulting in an abrupt interruption of the profile with the formation of two vanishing edges for the air flow that laps the convex front surface . The section is essentially symmetrical with respect to a horizontal axis, it can be constant along the entire longitudinal extension of the arm or vary, for example by having a more rounded cusp towards the hub and a shallower concave surface than the section in the area near the wing where the rotation speed is greater and therefore the section can be adapted to the different operating conditions in order to further optimize the efficiency.

Il braccio secondo l’invenzione è lambito dal vento provocante la rotazione della turbina esponendo a questo la parte “posteriore” a superficie concava adatta a trasformare l'energia cinetica del vento in rotazione, mentre la parte “anteriore” convessa del braccio offre una resistenza minima al passaggio per l'aria; in questa fase quindi il braccio contribuisce attivamente alla rotazione della turbina. Durante detta fase attiva si sfruttano due fenomeni distinti; uno di trasformazione dell’energia cinetica del vento agente sulla superficie posteriore del braccio (ottimale con il braccio in posizione di 90° rispetto alla direzione del vento) e l’altro di impulso ottenuto per deflusso deH’aria lungo il canale della superficie concava posteriore del braccio (formante un angolo maggiore di 90° rispetto alla direzione del vento) e per effetto centrifugo, subendo aH’uscita da detto canale verso l’ala, inizialmente un forte rallentamento ed aumentando di conseguenza la pressione nella zona di incontro con la superficie dell’ala applicata. Questo effetto può essere ottimizzato prevedendo all'estremità rivolta verso l’ala di detto canale una superficie inclinata o arcuata per il deflusso verso il bordo d’uscita dell’ala applicata.. The arm according to the invention is lapped by the wind causing the rotation of the turbine, exposing the "rear" part with a concave surface suitable for transforming the kinetic energy of the wind into rotation, while the convex "front" part of the arm offers resistance minimum when passing through the air; in this phase, therefore, the arm actively contributes to the rotation of the turbine. During said active phase two distinct phenomena are exploited; one of transformation of the kinetic energy of the wind acting on the rear surface of the arm (optimal with the arm in a position of 90 ° with respect to the direction of the wind) and the other of the impulse obtained by the outflow of the air along the channel of the rear concave surface of the arm (forming an angle greater than 90 ° with respect to the direction of the wind) and by centrifugal effect, undergoing a strong slowdown at the exit from said channel towards the wing, and consequently increasing the pressure in the area of contact with the surface of the applied wing. This effect can be optimized by providing an inclined or arched surface at the end facing the wing of said channel for the outflow towards the trailing edge of the applied wing.

Continuando la rotazione lo stesso braccio entra in una fase riduttiva dell'azione della spinta durante la quale esso è colpito essenzialmente anteriormente sulla superficie convessa del braccio. La posizione più svantaggiosa si ha quando il braccio è a 90° rispetto alla direzione del vento agente secondo piani orizzontali. L’aria viene deviata dal profilo convesso della superficie anteriore del braccio che ha forma tale da offrire possibilmente una resistenza minima. Per la sezione aerodinamicamente studiata del braccio secondo l'invenzione e per l’effetto della vorticosità, unitamente alla depressione causata dai bordi di fuga all'interno del canale longitudinale formato dalla superficie concava posteriore del braccio, si ottiene un accumulo di pressione fluttuante durante la rotazione del braccio che a determinati regimi ed in funzione della sezione del braccio determina una spinta “ attiva” coadiuvante la rotazione. Continuing the rotation, the same arm enters a reductive phase of the thrust action during which it is essentially struck anteriorly on the convex surface of the arm. The most disadvantageous position occurs when the arm is at 90 ° with respect to the direction of the wind acting in horizontal planes. The air is diverted from the convex profile of the front surface of the arm which is shaped such as to possibly offer minimal resistance. Due to the aerodynamically studied section of the arm according to the invention and the effect of the vorticity, together with the depression caused by the vanishing edges inside the longitudinal channel formed by the rear concave surface of the arm, an accumulation of fluctuating pressure is obtained during the rotation of the arm which at certain speeds and depending on the section of the arm determines an “active” thrust which helps the rotation.

Secondo l'invenzione si ottiene quindi che la rotazione della turbina risulta effettivamente sostenuta dai bracci di supporto delle ali; in particolare si ottiene inoltre un effetto vantaggioso che favorisce l'avvio della rotazione della turbina in presenza di intensità basse del vento, fatto particolarmente vantaggioso per turbine con ali aventi forma e/o profilo alare particolari studiati per rendimenti elevati soltanto a forte intensità di vento. According to the invention, it is therefore obtained that the rotation of the turbine is actually supported by the support arms of the wings; in particular, an advantageous effect is also obtained which favors the start of rotation of the turbine in the presence of low wind intensities, which is particularly advantageous for turbines with wings having particular shape and / or wing profile designed for high yields only at strong wind intensity .

La sezione del braccio secondo l’invenzione, per il rapporto fra la dimensione verticale e quella orizzontale tendente ad 1 , si presta per la realizzazione di eventuali strutture interne di supporto di tipo diverso e di notevole stabilità e di giunzioni efficienti sia verso il mozzo che verso l’ala, permettendo eventualmente anche la riduzione del numero di bracci per ala ad un braccio unico. Naturalmente il braccio secondo l'invenzione può essere costituito dal solo guscio autoportante con o senza riempimento, per esempio con resina espansa, della cavità interna, detto guscio può assolvere a funzioni portanti assieme ad una struttura interna oppure esso può essere applicato come solo rivestimento aerodinamico esterno. The section of the arm according to the invention, due to the ratio between the vertical and the horizontal dimension tending to 1, is suitable for the realization of any internal support structures of a different type and of considerable stability and of efficient joints both towards the hub and towards the wing, possibly also allowing the reduction of the number of arms per wing to a single arm. Naturally, the arm according to the invention can consist only of the self-supporting shell with or without filling, for example with expanded resin, of the internal cavity, said shell can perform load-bearing functions together with an internal structure or it can be applied as an aerodynamic coating only. external.

Secondo l'invenzione la forma longitudinale dei bracci di supporto può essere diritta o curva. According to the invention, the longitudinal shape of the support arms can be straight or curved.

L'invenzione viene spiegata più da vicino in base ad un esempio di esecuzione di un braccio di supporto secondo l’invenzione per ali di turbine eoliche ad asse di rotazione verticale, illustrato schematicamente nel disegno allegato il quale ha scopo puramente esplicativo e non limitativo. The invention is explained more closely on the basis of an example of execution of a support arm according to the invention for the wings of wind turbines with vertical rotation axis, schematically illustrated in the attached drawing which is purely for explanatory and non-limiting purposes.

La Fig. 1 illustra in vista prospettica una turbina eolica ad asse di rotazione verticale a tre ali, ciascuna delle quali è supportata da bracci secondo l’invenzione con fissaggio tramite staffe sagomate avvolgenti l’ala. Fig. 1 shows a perspective view of a wind turbine with a vertical axis of rotation with three wings, each of which is supported by arms according to the invention with fixing by means of shaped brackets enveloping the wing.

La Fig. 2 illustra in vista prospettica uno spezzone di braccio di supporto secondo l’invenzione applicato ad un’ala. Fig. 2 shows a perspective view of a portion of the support arm according to the invention applied to a wing.

La Fig. 3 illustra la sezione trasversale di un braccio di supporto secondo l’invenzione con l’indicazione del flusso del vento e del senso di rotazione durante la fase di esposizione della superficie concava posteriore al vento. Fig. 3 illustrates the cross section of a support arm according to the invention with the indication of the wind flow and the direction of rotation during the exposure phase of the concave rear surface to the wind.

La Fig. 4 illustra la stessa sezione trasversale indicata nella Fig. 3 del braccio di supporto secondo l'invenzione con l'indicazione del flusso del vento e del senso di rotazione durante la fase di esposizione della superficie convessa anteriore al vento. Fig. 4 illustrates the same cross section indicated in Fig. 3 of the support arm according to the invention with the indication of the wind flow and the direction of rotation during the exposure phase of the convex front surface to the wind.

La Fig. 5 illustra in vista laterale una parte di un braccio di supporto secondo l’invenzione provvisto di sezioni trasversali diverse e di superficie arcuata di deviazione all'estremità applicata all'ala. Fig. 5 illustrates a side view of a part of a support arm according to the invention provided with different cross sections and an arched deviation surface at the end applied to the wing.

Le Figg. 6, 7, 8 sono sezioni trasversali in zone diverse dello stesso braccio di supporto illustrato in Fig. 5. Figs. 6, 7, 8 are cross sections in different areas of the same support arm illustrated in Fig. 5.

Il rotore formato dal mozzo 1 da bracci 2 disposti a raggiera e da ali 3, è supportato rotante R secondo un asse verticale A. The rotor formed by the hub 1 by arms 2 arranged in a radial pattern and by wings 3, is supported rotating R along a vertical axis A.

Le estremità esterne dei bracci 2 sono provviste di staffe sagomate 3a avvolgenti il profilo delle ali 3, non si esclude comunque qualsiasi fissaggio di tipo noto fra dette estremità esterne dei bracci 2 e le ali 3. The external ends of the arms 2 are provided with shaped brackets 3a enveloping the profile of the wings 3, however any known type of fastening between said external ends of the arms 2 and the wings 3 is not excluded.

I bracci 2 presentano una sezione trasversale 2s essenzialmente di forma simmetrica rispetto all’asse orizzontale formata da una superficie convessa 2a “anteriore", vista nel senso di rotazione R, per esempio di forma semicircolare, parabolica, a profilo di ogiva o a profilo alare in zona del bordo d’attacco e da una superficie concava 2b “posteriore”. The arms 2 have a cross section 2s essentially symmetrical in shape with respect to the horizontal axis formed by a convex surface 2a "front", seen in the direction of rotation R, for example of a semicircular, parabolic shape, with an ogive profile or with a wing profile in leading edge area and a concave 2b “rear” surface.

Naturalmente anche la superficie concava 2b può avere forma semicircolare o parabolica più o meno pronunciata o profonda. La superficie concava 2b posteriore forma una scanalatura longitudinale la quale può avere sezione 2s costante per tutta l’estensione longitudinale oppure sezione diversa, per esempio meno profonda nella zona verso il mozzo 1 e più profonda nella zona verso l'ala 3. Secondo l'invenzione pure le dimensioni secondo l'asse di simmetria orizzontale e/o secondo il senso verticale possono essere costanti per tutta l'estensione longitudinale oppure essere più ampie nelle zone di giunzione al mozzo 1 e/o all’ala 3. Naturally, the concave surface 2b can also have a more or less pronounced or deep semicircular or parabolic shape. The rear concave surface 2b forms a longitudinal groove which can have a constant section 2s throughout the longitudinal extension or a different section, for example less deep in the area towards the hub 1 and deeper in the area towards the wing 3. According to the invention also the dimensions according to the horizontal symmetry axis and / or according to the vertical direction can be constant throughout the longitudinal extension or be wider in the areas of junction to the hub 1 and / or to the wing 3.

I punti di contatto fra i bordi longitudinali estremi della superficie anteriore convessa 2a e quelli della superficie posteriore concava 2b formano due bordi longitudinali a cuspide acuta i quali, quando il vento colpisce essenzialmente la superficie posteriore concava, fungono da bordi d'attacco mentre quando il vento colpisce essenzialmente la superficie anteriore convessa, fungono da bordi di fuga.. The points of contact between the extreme longitudinal edges of the convex front surface 2a and those of the concave rear surface 2b form two longitudinal edges with acute cusps which, when the wind essentially hits the concave rear surface, act as leading edges while when the wind essentially hits the convex front surface, act as vanishing edges ..

Secondo un ulteriore sviluppo dell’idea inventiva, all'estremità esterna del braccio 2, nella zona di giunzione con la pala 3, l'estremità della scanalatura formata dalla superficie concava posteriore 2b è provvista di superficie trasversale di deviazione inclinata rettilinea o arcuata di raccordo 2d atta a deviare verso la zona del bordo d’uscita 3c dell'ala 3 l'aria che colpisce il braccio 2 dal retro e che, per la posizione del braccio 2 oltre un angolo di 90° rispetto alla direzione del vento W e per l’effetto centrifugo scorre verso l’estremità esterna dello stesso braccio 2 lungo la scanalatura concava 2b. Detta superficie trasversale di raccordo 2d convenientemente ha andamento curvo o parabolico allo scopo di ottenere, per deviazione del suddetto flusso verso il bordo d’uscita 3c dell’ala 3, una forza di reazione atta a sommarsi alle forze determinanti la rotazione della turbina. According to a further development of the inventive idea, at the outer end of the arm 2, in the area of junction with the blade 3, the end of the groove formed by the rear concave surface 2b is provided with a transversal surface of inclined rectilinear or arcuate connection 2d able to divert towards the area of the trailing edge 3c of the wing 3 the air which strikes the arm 2 from the rear and which, due to the position of the arm 2 over an angle of 90 ° with respect to the wind direction W and for the centrifugal effect flows towards the external end of the same arm 2 along the concave groove 2b. Said transverse connecting surface 2d conveniently has a curved or parabolic course in order to obtain, by deviating the aforementioned flow towards the trailing edge 3c of the wing 3, a reaction force capable of adding to the forces determining the rotation of the turbine.

Per l'effetto coadiuvante dei bracci di supporto 2, la sezione 2s di questi può essere dimensionata in modo da contenere strutture o organi adatti ad ottenere un supporto stabile e delle giunzioni efficienti sia dalla parte del mozzo 1 che dalla parte dell'ala 3. Due to the adjuvant effect of the support arms 2, the section 2s of these can be sized so as to contain structures or members suitable for obtaining a stable support and efficient joints both on the part of the hub 1 and on the part of the wing 3.

Claims

CLAIMS 1. Support arm for wind turbine wings with vertical rotation axis, essentially radially arranged between the hub (1) or the pivoting member of the turbine and each of the corresponding wings (3) arranged spaced apart from said hub, characterized by the fact that the section (2s) of the arm (2) is essentially symmetrical with respect to a horizontal axis and formed by a convex surface (2a) anterior to the rotational motion (R) of the rotor and a concave surface (2b) posterior, and that the cross section (2s) of both the concave and the convex surface has an arc of a circle, a parabola, an ogive or the leading edge area of an airfoil.

2. Support arm according to claim 1, characterized by the fact that the cross section (2s) of the arm (2) is essentially constant throughout the longitudinal extension of the arm (2).

3. Support arm according to claim 1, characterized in that the cross section (2s) of the arm (2) varies along at least part of its longitudinal extension with adaptation of the course of the concave (2b) and convex (2a) surfaces to the different operating conditions in relation to the different distance from the rotation axis (A) and / or to the different impact conditions of the wind (W).

4. Support arm according to claim 1, characterized in that the extreme edges of the two convex (2a) and concave (2b) surfaces form in the mutual contact area two longitudinal edges with acute cusp (2c) positioned essentially in the area of greatest vertical extension of the section (2s) of the arm (2).

Support arm according to claim 1, characterized in that at the end of the arm (2) facing the wing (3) the longitudinal channel formed by the rear concave surface (2b) is provided with an inclined rectilinear transverse surface or arcuate connection (2d) adapted to divert the flowing air towards the wing (3), passing through said groove, towards the region of the trailing edge (3c) of said wing (3).

6. Arm according to claim 1, characterized in that it extends longitudinally straight or at least partially arched.

7. Support arm according to claim 1, characterized in that its supporting structure is constituted by the same single or composite shell formed by the convex (2a) and concave (2b) surfaces with or without internal filling.

8. Support arm according to claim 1, characterized in that the shell formed by the convex (2a) and concave (2b) surfaces serves exclusively as an external aerodynamic coating of a pruning, support and junction structure contained inside said shell or acts, together with an internal structure, as a support and junction structure.