PL241530B1 - Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat - Google Patents

Abstract

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat zawierająca ramę, wał, co najmniej dwie łopaty o zmiennej krzywiźnie przekroju, charakteryzuje się tym, że rama (5) wyposażona jest w dwa ułożone współosiowo pierścienie prowadzące (7), umieszczone na przeciwległych końcach ramy (5) w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wału (3), pomiędzy pierścieniami prowadzącymi (7), równolegle do osi wału (3), umieszczone są ramiona łopat (12) połączone ruchowo z pierścieniami prowadzącymi (7) za pomocą elementów prowadzących, ponadto ramiona łopat (12) połączone są na obu swoich końcach z wałem (3) prowadnikami (15) umożliwiającymi ruch ramion łopat (12) w zmiennej odległości od wału (3), oś obrotu wału (3) turbiny (1) przesunięta jest względem osi (4) pierścieni prowadzących (7) o mimośród równy, co najmniej 0,01 średnicy ramy (5), turbina zawiera także co najmniej jeden środek (6) ustawiający linię Y mimośrodu pod kątem α względem kierunku wiatru, przy czym kąt α jest większy od 0° i mniejszy od 180°, ponadto krawędzie zewnętrzne łopat (2) połączone są z ramionami łopat (12) i znajdują się w stałym wzajemnym położeniu kątowym względem wału (3), zaś krawędzie wewnętrzne łopat (2) połączone są z wałem (3), przy czym łopaty (2) wykonane są z materiałów elastycznych o dużej wytrzymałości zmęczeniowej, a krzywizna ich przekrojów łopat (2) uzależniona jest od położenia kątowego ramion łopat (12) względem prostej wyznaczonej przez punkty przecięcia się płaszczyzny jednego z pierścieni prowadzących (7) z osią wału (3) oraz osią (4) pierścieni prowadzących (7).

Description

PL 241 530 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat.

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu powszechnie nazywane VAWT (Vertical Axis Wind Turbinę) mają niższą sprawność konwersji energii, rozumianą jako sprawność przetwarzania energii kinetycznej wiatru, od powszechnie stosowanych turbin o osi poziomej HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), ale mają liczne zalety takie jak prosta konstrukcja, praca przy wietrze wiejącym z różnych kierunków i z różną prędkością, pracują ciszej i są bezpieczne. Dzięki tym zaletom znajdują zastosowanie na terenach zurbanizowanych.

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu, nazywana turbiną Savoniusa, wynaleziona została przez fińskiego inżyniera S.J. Savoniusa i opisana w patencie U.S. Pat. No. 1,697,574 wydanym 1 stycznia 1929 roku. Turbina Savoniusa patrząc z góry przypomina kształtem literę „S”, a obie łopaty mają kształt półcylindryczny. Siłą napędową wirnika jest wypadkowa siła będąca efektem rozkładu ciśnień na częściach wypukłych i wklęsłych obu łopat wirnika (wypadkowa sił oporu i nośnych).

Typowe turbiny Savoniusa opisane są przykładowo w zgłoszeniach patentowych DE102007049590 A1 i US5494407. W zgłoszeniu ‘patentowym DE3519700 A1 przewidziano łopaty o kształcie odbiegającym od oryginalnego półcylindrycznego. Patrząc od zewnętrznej strony turbiny, mają one początkowo kształt półcylindryczny, po czym stopień ich krzywizny znacznie wzrasta, a w części środkowej przyjmuje kształt powierzchni płaskiej. Ze względu na swoje niewielkie gabaryty jest to turbina małej mocy do zastosowań przydomowych lub zasilania niewielkich autonomicznych odbiorników energii mechanicznej czy elektrycznej.

Podstawowymi zaletami tego typu turbin jest ich prosta, a co za tym idzie, tania i niezawodna konstrukcja oraz wysoki moment startowy. Klasyczne turbiny Savoniusa są niezależne od kierunku wiatru, więc nie wymagają dodatkowych systemów pozycjonowania. Klasyfikowane są one jako turbiny wykorzystujące siłę oporu, a co za tym idzie pracują z relatywnie niskimi prędkościami obrotowymi (wyróżnikami szybkobieżności) i niskimi prędkościami przepływu powietrza. W efekcie charakteryzują się niskim poziomem emitowanego hałasu. Cechy te powodują, że turbiny Savoniusa są odpowiednie do zastosowania w terenach zurbanizowanych. Turbiny te poza przypadkami umieszczenia na oddzielnych konstrukcjach - wieżach, bardzo często posadowione są na dachach budynków. Niestety podstawową wadą tych turbin jest ich niska sprawność ze współczynnikiem mocy dla klasycznych konstrukcji w zakresie Cp = 0,15-0,20. Powoduje to, że ten typ turbin w swej podstawowej formie nie jest zazwyczaj rozsądną alternatywą w odniesieniu do innych typów turbin wiatrowych.

Niemniej jednak zalety turbin Savoniusa powodują, że są one obiektami licznych badań mających na celu podniesienie ich sprawności. Liczne prace koncentrują się na modyfikacji kształtu łopat lub zastosowaniu dodatkowych elementów kierujących strumień płynącego powietrza na łopaty. Zastąpienie klasycznych półokrągłych łopat bardziej wyrafinowanymi kształtami (eliptyczne, konstrukcje Bacha czy Benescha) pozwala na podniesienie współczynnika mocy o kilka punktów procentowych w porównaniu z konstrukcją klasyczną. Inne prace dotyczą poszukiwania optymalnych wymiarów wybranych parametrów geometrycznych łopaty i całego wirnika np. szczeliny międzyłopatkowej, wysokości względnej turbiny, wpływu tarcz na końcach łopat. Niemniej jednak zabiegi te nie pozwalają na podniesienie współczynnika mocy do poziomu istotnie powyżej Cp = 0,25. Aktywną dziedziną badań jest także zaopatrzenie wirnika turbiny w elementy naprowadzające wiatr na łopatę nacierającą (poruszającą się zgodnie z kierunkiem wiatru), deflektory osłaniające łopatę powracającą (poruszającą się przeciwnie do kierunku wiatru) lub jeszcze bardziej rozbudowane systemy kierownic. W efekcie zastosowania mniej lub bardziej złożonych systemów osłon, deflektorów lub kierownic badacze deklarują osiągnięcie poziomów sprawności istotnie przekraczających Cp = 0,3. Niestety wadą tego typu podejść jest zwiększenie gabarytów turbiny, zwiększenie stopnia skomplikowania konstrukcji oraz zależność od kierunku wiatru. Chcąc osiągnąć wysoki poziom sprawności wymaga to zastosowania systemów nastawu układu kierownic na wiatr, co przy ich dużych gabarytach nie jest łatwym zadaniem.

W opisie patentowym WO2013108953A1 przedstawiono łopaty składające się z kilku płaskich części połączonych ze sobą sworzniami, które przy naporze wiatru układają się w kształt półcylindryczny.

Opis patentowy US6283711B1 proponuje turbinę składającą się z dwóch półcylindrycznych łopat symetrycznie rozmieszczonych wokół osi obrotu turbiny. Każda łopata jest dwuczęściowa i składa się z łopaty wewnętrznej o ustalonym położeniu względem wału turbiny oraz łopaty zewnętrznej, sta

PL 241 530 B1 nowiącej jej przedłużenie. Łopaty wewnętrzna i zewnętrzna mają różne promienie krzywizny, przy czym promień krzywizny łopaty wewnętrznej jest mniejszy i stanowi 0,6-0,8 promienia łopaty zewnętrznej. Łopaty łączą się w taki sposób, że krawędź natarcia łopaty wewnętrznej styka się z krawędzią spływu łopaty zewnętrznej. Punkt zaczepienia promienia krzywizny łopaty zewnętrznej pokrywa się z osią obrotu turbiny, natomiast oś obrotu łopaty wewnętrznej jest do niej równoległa.

Opis patentowy WO2016073636A1 ujawnia urządzenie oparte o wiele turbin wiatrowych rozłożonych na stelażu, w oddaleniu od osi obrotu stelażu. Dodatkowo każda z turbin obraca się wokół własnej osi obrotu. Turbiny mają położenie poziome. Działanie urządzenia opiera się na efekcie Magnusa. Urządzenie ma pracować w zawisie, bez stałego zamocowania z gruntem. Geometria łopat jest zmienna, przy czym ugięcie łopat jest sterowane przy pomocy cięgien. Łopaty odkształcają się symetrycznie dla każdej z turbin. Na globalny ruch łopat turbiny składa się obrót całej turbiny wokół osi stelażu oraz obrót wokół danej turbiny.

Z opisu zgłoszenia patentowego US 2016208775A1 jest znana samokierunkowa turbina wiatrowa o pionowej osi, zawierająca ramę, wał i łopaty o zmiennym położeniu lecz o stałej ich geometrii, której rama jest wyposażona w dwa pierścienie prowadzące ułożone współosiowo, umieszczone na przeciwległych końcach ramy w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wału turbiny, pomiędzy którymi, równolegle do osi wału, są umieszczone ramiona łopat połączone ruchowo z pierścieniami prowadzącymi za pomocą elementów prowadzących i ponadto połączone na obu swych końcach prowadnikami z wałem turbiny, którego oś obrotu jest przesunięta względem osi pierścieni prowadzących o mimośród równy co najmniej 0,01 średnicy ramy. Turbina zawiera nadto element ustawiający linię tego mimośrodu pod kątem 0-180° względem kierunku wiatru. Krawędzie zewnętrzne łopat są połączone z ramionami łopat i znajdują się w stałym wzajemnym położeniu kątowym względem wału, zaś krawędzie wewnętrzne łopat nie są połączone z wałem turbiny. Połączenie końców ramion łopat prowadnikami z wałem turbiny nie umożliwia ruchu ramion łopat w zmiennej odległości od wału. Rozwiązanie według tego zgłoszenia charakteryzuje się zmiennym położeniem łopat, jednak ich geometria jest stała - krzywizna łuku łopat nie zmienia się w czasie obrotu. Kontrola zmiany położenia danej łopaty realizowana jest przez rozwiązanie konstrukcyjne polegające na umieszczeniu punktu obrotu w położeniu środka perymetru łopaty, przez co nie można mówić o zmienności geometrii łopat - zmienia się ich położenie w czasie obrotu, ale nie kształt.

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat zawierająca ramę, wał, co najmniej dwie łopaty o zmiennej krzywiźnie przekroju, której rama jest wyposażona w dwa pierścienie prowadzące ułożone współosiowo, umieszczone na przeciwległych końcach ramy w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wału turbiny, pomiędzy którymi, równolegle do osi wału, umieszczone są ramiona łopat połączone ruchowo z pierścieniami prowadzącymi za pomocą elementów prowadzących i ponadto ramiona łopat są połączone na obu swych końcach prowadnikami z wałem turbiny, którego oś obrotu jest przesunięta względem osi pierścieni prowadzących o mimośród równy co najmniej 0,01 średnicy ramy, zawierająca nadto element ustawiający linię tego mimośrodu pod kątem 0-180° względem kierunku wiatru, i w której z ramionami łopat są połączone krawędzie zewnętrzne łopat znajdujące się w stałym wzajemnym położeniu kątowym względem wału, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że ramiona łopat są połączone z wałem turbiny prowadnikami umożliwiającymi ruch ramion łopat w zmiennej odległości od wału, przy czym łopaty wykonane są z materiałów elastycznych o dużej wytrzymałości zmęczeniowej i krzywizna ich przekrojów uzależniona jest od położenia kątowego ramion łopat względem prostej wyznaczonej przez punkty przecięcia się płaszczyzny jednego z pierścieni prowadzących z osią wału oraz z osią pierścieni prowadzących. Krawędzie wewnętrzne łopat są połączone z wałem turbiny za pomocą wzdłużnego przegubu lub poprzez wsunięcie jednego elementu w drugi, na całej ich wysokości, w kilku miejscach lub jedynie na ich końcach. Nadto element ustawiający linią mimośrodu pod kątem względem kierunku wiatru ma postać powierzchni nastawnej lub urządzenia sterowanego niezależnym odczytem kierunku wiatru. Kąty pomiędzy prowadnikami sąsiadujących ze sobą łopat są równe i do prowadników są przymocowane, za pomocą ramion o jednakowej lub różnej długości, wsporniki.

Łopaty korzystnie są wykonane ze stali o dużej sprężystości, korzystnie stali X10CrNi 18-8 (1.4310).

Łopaty korzystnie są wykonane z materiałów kompozytowych, zwłaszcza z laminowanych tkanin węglowych.

Łopaty korzystnie są wykonane z materiałów hybrydowych, zwłaszcza z materiałów w postaci płótna żeglarskiego wzmocnionego listwami z włókna szklanego.

PL 241 530 B1

Mimośród korzystnie jest równy 0,05-0,20 średnicy ramy.

Elementy prowadzące, łączące ramiona łopat z pierścieniami prowadzącymi, mają korzystnie postać wózków łożyskowych.

Prowadniki łączące ramiona łopat z wałem turbiny korzystnie są zbudowane z elementu podłużnego o stałym przekroju poprzecznym przymocowanego na stałe do wału oraz osadzonego w nim łożyskowanego przesuwnie tłoczyska.

Wsporniki są przymocowane do prowadników korzystnie za pomocą ramion przymocowanych na końcach prowadników.

Element ustawiający linię mimośrodu pod kątem względem kierunku wiatru korzystnie ma postać silnika.

Łopaty są połączone z wałem turbiny korzystnie za pomocą zawiasu.

Zastosowanie w rozwiązaniu według wynalazku mimośrodu oraz odkształcalnych łopat turbiny Savoniusa o zmiennej, w zależności od położenia kątowego, krzywiźnie przekroju, pozwala uzyskać zwiększenie wydajności turbiny wiatrowej według wynalazku w stosunku do turbiny Savoniusa o stałej geometrii łopat i takiej samej całkowitej powierzchni czołowej. W zależności od wartości mimośrodu możliwe jest zwiększenie współczynnika mocy turbiny o 50%-100% w porównaniu do klasycznych turbin Savoniusa. Co więcej, konstrukcja turbiny według wynalazku umożliwia uproszczenie i zmniejszenie jej wymiarów w stosunku do turbin z zastosowanymi systemami deflektorów i kierownic nastawialnych na wiatr. Dzięki przesunięciu osi obrotu wału turbiny względem osi pierścieni prowadzących o mimośród uzyskuje się zwiększenie proporcji pomiędzy powierzchnią czołową łopaty nacierającej w stosunku do powierzchni czołowej łopaty powracającej.

W rozwiązaniu według wynalazku, w efekcie zmiany kształtu (deformacji) łopat turbiny możliwe jest podniesienie współczynnika mocy nawet powyżej Cp = 0,35. Zwiększenie efektywnego pola powierzchni łopaty nacierającej przy jednoczesnym zwinięciu łopaty powracającej daje wyraźny wzrost sprawności. Wzrost ten zależny jest od zakresu deformacji łopat. Odpowiednią deformację łopat uzyskuje się poprzez ruch końcówek łopat w prowadnicach ustawionych mimośrodowo w odniesieniu do osi obrotu wirnika. Pozytywne efekty istotnego przyrostu współczynnika mocy (sprawności) uzyskuje się już dla stosunkowo małych mimośrodów (od 0,01 średnicy turbiny), a efekt ten rośnie wraz z jego zwiększaniem. Choć układ wymaga nastawu na wiatr, to jednak gabaryty takiego systemu nie rosną bardzo znacząco w odniesieniu do wymiarów samego wirnika i są istotnie mniejsze od stosowanych w systemach z deflektorami i systemami kierownic.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia łopaty turbiny według wynalazku w widoku z góry w kolejnych fazach pracy;

Fig. 2 przedstawia turbinę w widoku perspektywicznym z góry;

Fig. 3 przedstawia turbinę w widoku perspektywicznym z dołu;

Fig. 4 przedstawia górny pierścień ramy turbiny w widoku z góry z zaznaczonym mimośrodem;

Fig. 5 przedstawia podstawę turbiny w widoku perspektywicznym;

Fig. 6 przedstawia ramę turbiny w widoku perspektywicznym;

Fig. 7a-b przedstawiają widoki przykładowych połączeń ramion łopat z pierścieniami prowadzącymi według wynalazku;

Fig. 8 przedstawia widok pierścienia prowadzącego z zamontowanymi prowadnikami;

Fig. 9 przedstawia widok pierścienia prowadzącego z zamontowanymi prowadnikami oraz ramionami wspornika determinującego ugięcie łopat turbiny;

Fig. 10a-e przedstawiają przykłady łączenia łopat turbiny z elementami prowadzącymi.

Turbina wiatrowa 1 o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat 2 zawiera dwie łopaty 2 o zmiennej krzywiźnie przekroju, ramę 5 zamontowaną obrotowo na podstawie 11, drążony wał 3 turbiny 1 łożyskowany na osi podstawy 11. Połączenie ramy 5 z podstawą turbiny 11 oparte jest na łożyskowaniu ślizgowym, ale możliwe jest także zastosowanie łożysk tocznych, a także łożyskowania magnetycznego lub hydrodynamicznego.

Do podstawy turbiny 11 przymocowany jest generator 10 połączony przekładnią 9 z wałem 3, którego zadaniem jest odbiór i przetworzenie energii mechanicznej pochodzącej od ruchu wirnika turbiny, obejmującego łopaty 2 i wał 3, na inną formę energii, w tym rozwiązaniu na elektryczną. Oś wału generatora 8 jest przesunięta względem osi wału 3 turbiny 1, co pozwala na ustawienie generatora w układzie stacjonarnym, a także ułatwia odbiór energii oraz ułatwia łożyskowanie wału 3. PrzePL 241 530 B1 kładnia 9 w przedstawionym przykładzie rozwiązania jest przekładnią zębatą, jednakże możliwe jest zastosowanie także przekładni pasowych, cykloidalnych lub innych.

Rama 5 wyposażona jest w dwa ułożone współosiowo pierścienie prowadzące 7, umieszczone na przeciwległych końcach ramy 5 w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wału 3, przy czym oś obrotu wału 3 turbiny 1 przesunięta jest względem osi 4 pierścieni prowadzących 7 o mimośród X równy, co najmniej 0,01 średnicy ramy 5. Pomiędzy pierścieniami prowadzącymi 7, równolegle do osi wału 3, umieszczone są ramiona łopat 12 połączone ruchowo z pierścieniami prowadzącymi 7 za pomocą elementów prowadzących 13 w postaci wózków wielołożyskowych prowadzonych zewnętrznie po bieżniach pierścieni prowadzących 7. Możliwe jest także zastosowanie elementów prowadzących w postaci wózków jednorolkowych 14 prowadzonych wewnętrznie w bieżniach pierścieni prowadzących 7. Alternatywnie możliwe jest także rozwiązanie tych węzłów ruchomych w oparciu o łożyska ślizgowe, toczne, łożyskowanie magnetyczne oraz hydrodynamiczne.

Ramiona łopat 12 połączone są na obu swoich końcach z wałem 3 prowadnikami 15 przenoszącymi moment obrotowy łopat na wał 3, które umożliwiają ruch ramion łopat 12 w zmiennej odległości od wału 3. Prowadniki 15 poszczególnych łopat 2 w niniejszym przykładzie ułożone są pod kątem 180°. Prowadnik 15 zbudowany jest z elementu podłużnego 16 o stałym przekroju poprzecznym przymocowanego na stałe do wału 3 oraz osadzonego w nim łożyskowanego przesuwnie tłoczyska 17. Umożliwia to ruch posuwisty elementów prowadnika 15, dzięki czemu końcówki łopat 12 oddalają się i przybliżają w czasie ruchu obrotowego względem osi wału 3, co przekłada się na zwiększanie i zmniejszanie powierzchni czołowej łopat turbiny.

Turbina 1 zawiera także środek 6 ustawiający linię mimośrodu Y pod kątem α, większym od 0° i mniejszym od 180°, względem kierunku wiatru. Środek 6 ma postać powierzchni nastawnej ustawiającej ramę 5, a w konsekwencji także linię mimośrodu Y, w zależności od kierunku wiatru. Środek 6 może mieć także postać układu elektromechanicznego, przykładowo w postaci silnika sterowanego niezależnym odczytem kierunku wiatru. Zastosowanie tych środków umożliwia automatyczne ustalenie właściwej pozycji.

Krawędzie zewnętrzne łopat 2 połączone są z ramionami łopat 12 i znajdują się w stałym wzajemnym położeniu kątowym względem wału 3.

Po stronie zewnętrznej łopaty 2 turbiny 1 połączone są z ramionami końcówek łopat 12 na stałe, za pomocą wzdłużnego przegubu poprzez wsunięcie jednego elementu w drugi. Alternatywne przykładowe warianty mocowania łopat do ramion przedstawiają Fig. 10a-e. Na Fig. 10a krawędź łopaty 2 koniec łopaty nawinięty jest na końcówkę łopat 12. Natomiast na Fig. 10b przedstawiono rozwiązanie, w którym połącznie końcówki łopaty 12 jest utwierdzone i nie może się obracać. Z kolei Fig. 10c ilustruje obrotowe połączenie końcówki łopaty 12 z łopatą 2. Zaś Fig. 10d przedstawia rozwiązanie, w którym końcówka łopaty 12 jest umocowana wahliwie z ograniczeniem kąta obrotu. Natomiast Fig. 10e przedstawia połączenie wahliwe wspornika 18 oraz końcówki łopaty 12 z łopatą 2 bez ograniczenia obrotu.

Z kolei krawędzie wewnętrzne łopat 2 połączone są z wałem 3 za pomocą wzdłużnego przegubu w postaci zawiasu. Możliwa jest także realizacja połączenia poprzez wsunięcie jednego elementu w drugi, tworząc łożyskowanie lub poprzez montaż łopat 2 tylko na końcach wału 3, w wyniku czego powstaje szczelina, umożliwiająca przepływ czynnika pomiędzy łopatami.

Łopaty 2 wykonane są ze stali o dużej sprężystości, mianowicie np. X10CrNi18-8 (1.4310). Jednakże możliwe jest alternatywne wykorzystanie innego gatunku stali o takich właściwościach, a także kompozytów np. laminowanych tkanin węglowych lub materiałów hybrydowych powstałych przez luźne połączenie różnych materiałów np. płótno żeglarskie wzmocnione listwami z włókna szklanego.

Zasada działania turbiny 1 opiera się na przekształceniu siły naporu wiatru na łopaty 2 w moment obrotowy przekazywany na wał 3, w efekcie czego, energia kinetyczna wiatru przekształcana jest w inną, możliwą do przesyłania, wykorzystania bezpośrednio lub magazynowania, na przykład w energię elektryczną pozyskaną w wyniku obrotu wału 8 generatora 10. Zewnętrzne krawędzie łopat przemieszczają się po pierścieniach prowadzących 7 ramy 5 przy zachowaniu ich wzajemnego położenia kątowego. Przesunięcie osi obrotu wału 3 turbiny 1 względem osi 4 pierścieni prowadzących 7 o mimośród, powoduje w trakcie ruchu obrotowego wału 3 oraz łopat 2 odkształcenie łopat 2 - zmianę ich geometrii. Przesunięcie to powoduje także zwiększenie powierzchni czołowej łopaty nacierającej (poruszającej się zgodnie z kierunkiem wiatru) oraz zmniejszenie powierzchni czołowej łopaty powracającej. Dzięki mimośrodowemu ustawieniu wału 3 nacierająca łopata 2 uzyskuje większe pole po-

Claims (10)

1. PL 241 530 B1 wierzchni otwartej na wiatr niż powracająca łopata 2. Jako efekt mimośrodu zwiększa się stosunek aktywnej powierzchni turbiny (powierzchnia łopaty nacierającej) do powierzchni pasywnej (powierzchnia łopaty powracającej). Zasada działania została zilustrowana na Fig. 1, na której przedstawiono ułożenie łopat 2 turbiny 1 w poszczególnych fazach działania turbiny 1.

   Turbina 1 wymaga odpowiedniego ułożenia linii mimośrodu Y w stosunku do kierunku wiatru. Odpowiednie ustawienie turbiny jest osiągane przez prawidłowe obrócenie w zależności od kierunku wiatru ramy 5 turbiny 1, co osiągane jest za pomocą co najmniej jednego środka 6 ustawiającego linię Y mimośrodu odpowiednio do kierunku przepływu wiatru. W wyniku oddziaływania wiatru następuje nastawienie turbiny na wiatr, przez co rozumie się obrót ramy turbiny 5 względem podstawy turbiny 11.

   W przykładach wykonania, w których łopaty turbiny wykonane są z materiałów wiotkich takich jak płótno lub w przypadku potrzeby kształtowania łopaty w sposób inny niż wynikający z natural nego ugięcia danego materiału, część centralna łopaty wsparta jest na wsporniku 18 umieszczonym wzdłuż wysokości łopaty, przymocowanym w części górnej i dolnej do elementów prowadników 15 za pomocą ramion 19, jak zobrazowano na Fig. 9. Długości ramion 19 determinują położenie wspornika 18 i kształtują ugięcie łopat wirnika. Ramiona 19 mogą być jednakowej długości dla zachowania symetryczności łopaty lub różnej długości w przypadku asymetrycznego kształtowania krzywizny łopat.

   Przykładowe warianty mocowania wspornika do łopaty zostały przedstawione na Fig. 10a-e. Na Fig. 10a przedstawiono rozwiązanie, w którym wspornik 18 jest umieszczony po wewnętrznej stronie łopaty i nie jest z nią połączony na stałe (może się przemieszczać po jej wewnętrznej powierzchni). Na Fig. 10b przedstawiono rozwiązanie, w którym wspornik 18 posiada wycięcie ograniczające ugięcie łopaty. Z kolei Fig. 10c ilustruje obrotowe połączenie wspornika 18. Zaś Fig. 10d przedstawia rozwiązanie, w którym wspornik 18 składa się z dwóch części ustalających powierzchnię łopaty od zewnątrz i od wewnątrz. Natomiast Fig. 10e przedstawia połącznie wahliwe wspornika 18 z łopatą 2.

   Turbina według wynalazku może pracować również w środowisku przepływu innych płynów (gazów i cieczy).

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu i zmiennej geometrii łopat zawierająca ramę, wał, co najmniej dwie łopaty o zmiennej krzywiźnie przekroju, której rama jest wyposażona w dwa pierścienie prowadzące ułożone współosiowo, umieszczone na przeciwległych końcach ramy w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu wału turbiny, pomiędzy którymi, równolegle do osi wału, umieszczone są ramiona łopat połączone ruchowo z pierścieniami prowadzącymi za pomocą elementów prowadzących i ponadto ramiona łopat są połączone na obu swych końcach prowadnikami z wałem turbiny, którego oś obrotu jest przesunięta względem osi pierścieni prowadzących o mimośród równy co najmniej 0,01 średnicy ramy, zawierająca nadto element ustawiający linię tego mimośrodu pod kątem 0-180° względem kierunku wiatru, i w której z ramionami łopat są połączone krawędzie zewnętrzne łopat znajdujące się w stałym wzajemnym położeniu kątowym względem wału, znamienna tym, że ramiona (12) łopat (2) są połączone z wałem (3) turbiny prowadnikami (15) umożliwiającymi ruch ramion (12) łopat (2) w zmiennej odległości od wału (3), przy czym łopaty (2) wykonane są z materiałów elastycznych o dużej wytrzymałości zmęczeniowej i krzywizna ich przekrojów uzależniona jest od położenia kątowego ramion (12) łopat (2) względem prostej wyznaczonej przez punkty przecięcia się płaszczyzny jednego z pierścieni prowadzących (7) z osią wału (3) oraz z osią (4) pierścieni prowadzących (7) i krawędzie wewnętrzne łopat (2) są połączone z wałem (3) za pomocą wzdłużnego przegubu lub poprzez wsunięcie jednego elementu w drugi, na całej ich wysokości, w kilku miejscach lub jedynie na ich końcach, nadto element (6) ustawiający linię (Y) mimośrodu (X) pod kątem względem kierunku wiatru ma postać powierzchni nastawnej lub urządzenia sterowanego niezależnym odczytem kierunku wiatru, dodatkowo kąty pomiędzy prowadnikami (15) sąsiadujących ze sobą łopat (2) są równe i do prowadników (15) są przymocowane, za pomocą ramion (19) o jednakowej lub różnej długości, wsporniki (18).
2. 2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (2) wykonane są ze stali o dużej sprężystości, korzystnie stali X10CrNi18-8 (1.4310).

   PL 241 530 B1
3. 3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (2) wykonane są z materiałów kompozytowych, korzystnie laminowanych tkanin węglowych.
4. 4. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (2) wykonane są z materiałów hybrydowych, korzystnie w postaci płótna żeglarskiego wzmocnionego listwami z włókna szklanego.
5. 5. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że mimośród (X) jest równy 0,05-0,20 średnicy ramy (5).
6. 6. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że elementy prowadzące (13, 14), łączące ramiona łopat (2) z pierścieniami prowadzącymi (7), mają postać wózków łożyskowych.
7. 7. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że prowadniki (15), łączące ramiona (12) łopat (2) z wałem (3) turbiny są zbudowane z elementu podłużnego (16) o stałym przekroju poprzecznym przymocowanego na stałe do wału (3) oraz osadzonego w nim łożyskowanego przesuwnie tłoczyska (17).
8. 8. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wsporniki (18) są przymocowane do prowadników (15) za pomocą ramion (19) przymocowanych na końcach prowadników (15).
9. 9. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że element (6) ustawiający linię (Y) mimośrodu (X) pod kątem względem kierunku wiatru ma postać silnika.
10. 10. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (2) są połączone z wałem (3) turbiny za pomocą zawiasu.