EA020047B1

EA020047B1 - Wind-driven electric mill

Info

Publication number: EA020047B1
Application number: EA201100166A
Authority: EA
Inventors: Сергей Юрьевич Дудников; Александр Анатольевич Лебедев; Рудольф Александрович Измайлов; Евгений Николаевич Хорошев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптифлейм Солюшенз"
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2014-08-29
Also published as: EA201100166A1

Abstract

The invention is provided for converting kinetic energy of wind into electric energy. A wind-driven mill comprises, at least, one wind-powered engine, comprising a central body, consisting of a frontal nosing (1), an medium portion, a tail cap (3), an axial turbine with blades and a ring fairing (2) with a section configured as a non-symmetric wing profile. The technical effect provides improving the mill efficiency and characterized in that the wind-driven engine further comprises a guide apparatus embodied as stationary blades (4) mounted radially between the central body and the ring fairing (2) in a plane corresponding to the minimum inner diameter of the ring fairing, convex part of which is a generatix of its inner surface, wherein the frontal nosing (1) of the wind mill is made as a hemisphere and the axial turbine with blades (5) is arranged in the middle part of the central body, the axial turbine with blades are installed behind the stationary blades of the guide apparatus, wherein the ratio of the maximum diameter of the central body to the outer diameter of the turbine blades is 0,45-0,55.

Description

Изобретение предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.The invention is intended to convert kinetic wind energy into electrical energy.

Известны ветроэнергетические установки, включающие ветродвигатель, содержащий центральное тело и рабочие лопатки пропеллерного типа (КИ 1365, 1Р 2009257310, ЕК 2920206).Wind power installations are known, including a wind turbine containing a central body and propeller blades (KI 1365, 1P 2009257310, EC 2920206).

Такие ветроэнергетические установки не рассчитаны на работу при малых скоростях ветра, их устанавливают вдали от жилых домов, поскольку результатом их работы является эрозия почвы, а также гибель птиц, насекомых, попадающих во вращающиеся лопатки пропеллерного типа.Such wind power plants are not designed to operate at low wind speeds, they are installed far from residential buildings, as the result of their work is soil erosion, as well as the death of birds, insects falling into the rotating propeller-type blades.

Известна ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из неподвижного лобового обтекателя, вращающейся средней части и хвостового обтекателя, имеющего параболический контур, лопатки направляющего аппарата и обечайку (КИ 2331791). Известный ветродвигатель содержит осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, вращающаяся средняя часть центрального тела выполнена в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, при этом ветродвигатель снабжен цилиндрическими обечайками, прикрепленными радиальными стойками к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора.A wind power installation is known, including at least one wind turbine containing a central body consisting of a fixed frontal fairing, a rotating middle part and a tail fairing having a parabolic contour, guide vanes and a shell (KI 2331791). The known wind turbine contains an axisymmetric diffuser with guide vanes having a deflectable flap, the rotating middle part of the central body is made in the form of an electric generator rotor with propeller-type wind turbine blades, while the wind turbine is equipped with cylindrical shells attached by radial struts to the central body with the possibility of formation of rings with it clearance.

Известная ветроэнергетическая установка имеет большую материалоемкость, сложную конструкцию и небезопасную работу в связи с использованием лопаток ветроколеса пропеллерного типа. Наличие диффузорного ускорителя и цилиндрических обечаек не снижает существенно шума работающего ветродвигателя, плоская форма лобового обтекателя не способствует эффективности работы ветродвигателя.Known wind power installation has a large material consumption, complex design and unsafe operation in connection with the use of propeller-type wind turbine blades. The presence of a diffuser accelerator and cylindrical shells does not significantly reduce the noise of a working wind turbine, the flat shape of the windshield fairing does not contribute to the efficiency of the wind turbine.

Известна также ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку по крайней мере с одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, при этом энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом (ЕА 001034).A wind power installation is also known, including at least one wind turbine, comprising a turbine with a nozzle apparatus, mechanically connected to a generator, a central shell, an annular front shell with at least one turbine inlet channel, forming an output turbine channel with a central shell, and also an outer ring a shell forming a diffuser outlet channel with a central shell, while the power unit is provided with an additional annular shell forming with external surfaces the single and central shells, the narrowing-expanding first intermediate channel communicated in the intermediate part with the turbine output channel, and the second intermediate channel communicated together with the first intermediate channel with the diffuser output channel (EA 001034) with the inner surface of the outer shell.

Указанная известная ветроэнергетическая установка также имеет большую материалоемкость и сложную конструкцию.The specified known wind power installation also has a large material consumption and complex design.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известная ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части, хвостового обтекателя, осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла (КИ 12195 - прототип). На входе кольцевого обтекателя натянута защитная сетка, предотвращающая попадание птиц на вращающиеся лопатки. Однако при эксплуатации такой ветроэнергетической установки защитная сетка забивается насекомыми, увлеченными потоком воздуха, ее проницаемость уменьшается, что вызывает необходимость в очистке или замене защитной сетки, в противном случае коэффициент полезного действия установки резко снижается. Носовая часть центрального тела (лобовой обтекатель) имеет форму эллипсоида вращения, диаметр которого составляет 0,4-0,6 от максимального диаметра кольцевого обтекателя и длина - 0,4-0,5 от диаметра эллипсоида. Такое выполнение лобового обтекателя и выполнение кольцевого обтекателя с сечением формы несимметричного профиля крыла обеспечивают повышение коэффициента полезного действия ветродвигателя по сравнению с выполнением лобового обтекателя плоской формы, а кольцевого обтекателя - цилиндрической формы. Однако проведенные сравнительные испытания ветродвигателя по прототипу при скорости ветра от 1 до 20 м/с показали, что его коэффициент полезного действия (расчет по Бетцу) не превышает 32%.Closest to the proposed invention in technical essence and the achieved result is a known wind power installation comprising at least one wind turbine containing a central body consisting of a frontal fairing, a middle part, a tail fairing, an axial turbine with blades, and an annular fairing with an asymmetric shape section wing profile (KI 12195 - prototype). At the entrance of the annular cowl, a protective net is stretched to prevent birds from entering the rotating blades. However, during the operation of such a wind power installation, the protective mesh is clogged by insects entrained by the air flow, its permeability decreases, which necessitates cleaning or replacing the protective mesh, otherwise the efficiency of the installation decreases sharply. The nose of the central body (frontal fairing) has the shape of an ellipsoid of revolution, the diameter of which is 0.4-0.6 of the maximum diameter of the annular fairing and the length is 0.4-0.5 of the diameter of the ellipsoid. Such a frontal fairing and an annular fairing with a cross-sectional shape of the asymmetric profile of the wing provide an increase in the wind turbine's efficiency compared to performing a flat frontal fairing and a cylindrical annular fairing. However, the comparative tests of the prototype wind turbine at a wind speed of 1 to 20 m / s showed that its efficiency (Betts calculation) does not exceed 32%.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка экологически безопасной ветроэнергетической установки, имеющей высокий коэффициент полезного действия.The technical task of the invention is the development of an environmentally friendly wind power installation having a high efficiency.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки.The technical result of the invention consists in increasing the efficiency of a wind power installation.

Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, включающей по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части, хвостового обтекателя, осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла, ветродвигатель дополнительно содержит направляющий аппарат, выполненный в виде неподвижных лопаток, установленных радиально между центральным телом и кольцевым обтекателем в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, выпуклая часть которого является образующей его внутренней поверхности, причем лобовой обтекатель ветродвигателя выполнен в форме полусферы, а осевая турбина с лопатками размещена в средней части центрального тела, при этом лопатки осевой турбины установлены за неподвижными лопатками направляющего аппарата, притом соотношение максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру лопаток турбины составляет 0,45-0,55.The specified technical result is achieved by the fact that in a wind power installation comprising at least one wind turbine containing a central body consisting of a frontal fairing, a middle part, a tail fairing, an axial turbine with blades, and an annular fairing with a section of the shape of an asymmetric wing profile, the wind turbine is additionally contains a guiding apparatus made in the form of fixed blades mounted radially between the central body and the annular cowl in a plane corresponding to m the minimum inner diameter of the annular cowl, the convex part of which is the inner surface forming it, moreover, the front cowl of the wind turbine is made in the form of a hemisphere, and the axial turbine with blades is located in the middle part of the central body, while the blades of the axial turbine are installed behind the fixed blades of the guide vane, moreover, the ratio the maximum diameter of the central body to the outer diameter of the turbine blades is 0.45-0.55.

- 1 020047- 1 020047

На фигуре приведена схема ветродвигателя, являющегося составным элементом предлагаемой ветроэнергетической установки, центральное тело которого имеет лобовой обтекатель 1 и хвостовой обтекатель 3. Лобовой обтекатель 1 выполнен в форме полусферы, а кольцевой обтекатель 2 ветродвигателя имеет сечение формы несимметричного профиля крыла, причем выпуклая часть кольцевого обтекателя 2 является образующей его внутренней поверхности. Ветродвигатель содержит направляющий аппарат с неподвижными лопатками 4, установленными в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя 2. Средняя часть центрального тела ветродвигателя выполнена в виде осевой турбины, включающей колесо 6 и лопатки 5, установленные за направляющим аппаратом. Ветродвигатель крепится на опоре 7.The figure shows a diagram of a wind turbine, which is an integral element of the proposed wind power installation, the central body of which has a frontal fairing 1 and a rear fairing 3. The frontal fairing 1 is made in the form of a hemisphere, and the annular fairing 2 of the wind turbine has a cross section of the shape of an asymmetric wing profile, and the convex part of the annular fairing 2 is a generatrix of its inner surface. The wind turbine comprises a guiding apparatus with fixed blades 4 mounted in a plane corresponding to the minimum inner diameter of the annular cowl 2. The middle part of the central body of the wind turbine is made in the form of an axial turbine, including a wheel 6 and blades 5, installed behind the guiding apparatus. The wind turbine is mounted on a support 7.

Предлагаемая ветроэнергетическая установка может состоять из одного ветродвигателя, а также может содержать несколько ветродвигателей, размещенных, например, на общей опоре 7 или так, как описано в ЕА 001034.The proposed wind power installation may consist of a single wind turbine, and may also contain several wind turbines located, for example, on a common support 7 or as described in EA 001034.

Генератор предпочтительно размещен в центральном теле ветродвигателя.The generator is preferably located in the central body of the wind turbine.

В качестве турбины может быть использована любая газовая турбина, например по И8 6786697, Κϋ 2124142, ЕА 001034, АО 2007/038836 и др.As a turbine, any gas turbine can be used, for example, according to I8 6786697, Κϋ 2124142, EA 001034, AO 2007/038836, etc.

Как показали эксперименты, выполнение вращающейся средней части центрального тела ветродвигателя в виде осевой турбины позволяет повысить коэффициент полезного действия ветроэнергетической установки по сравнению с прототипом. При изменении числа лопаток турбины частота вращения и мощность повышались с увеличением числа лопаток турбины, что отсутствует в ветродвигателях с лопатками пропеллерного типа.As experiments have shown, the execution of the rotating middle part of the central body of the wind turbine in the form of an axial turbine allows to increase the efficiency of the wind power installation in comparison with the prototype. With a change in the number of turbine blades, the rotation frequency and power increased with an increase in the number of turbine blades, which is absent in wind turbines with propeller-type blades.

Как показали эксперименты, наличие в ветродвигателе направляющего аппарата с лопатками, установленными в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, создает предварительную закрутку ветрового потока на подходе к осевой турбине с неподвижными лопатками, установленными за направляющим аппаратом, что дает существенный выигрыш в мощности. Кроме того, без использования защитной сетки удается избежать попадания птиц на вращающиеся лопатки.As experiments have shown, the presence of a guiding apparatus in the wind turbine with blades mounted in a plane corresponding to the minimum inner diameter of the annular cowl creates a preliminary swirl of the wind flow on the approach to the axial turbine with stationary blades mounted behind the guiding apparatus, which gives a significant gain in power. In addition, without the use of a protective net, it is possible to avoid the entry of birds on rotating blades.

Как показали эксперименты, выполнение лобового обтекателя в форме полусферы, выполнение кольцевого обтекателя с выпуклой частью, являющейся образующей его внутренней поверхности, при отношении максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины 0,45-0,55 повышают эффективность отбора ветровой мощности. В результате проведенных испытаний было установлено, что при предлагаемой конструкции ветродвигателя выполнение отношения максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины выше 0,55 приводит к снижению коэффициента полезного действия, а выполнение отношения ниже 0,45 нецелесообразно в связи с увеличением металлоемкости конструкции.As experiments have shown, the implementation of a frontal fairing in the form of a hemisphere, the execution of an annular fairing with a convex part that forms its inner surface, with a ratio of the maximum diameter of the central body to the outer diameter of the turbine of 0.45-0.55 increase the efficiency of the selection of wind power. As a result of the tests, it was found that with the proposed design of the wind turbine, the ratio of the maximum diameter of the central body to the outer diameter of the turbine above 0.55 leads to a decrease in the efficiency, and the performance of the ratio below 0.45 is impractical due to the increase in the metal consumption of the structure.

Максимальный коэффициент полезного действия (расчет по Бетцу) предлагаемого ветродвигателя с 32 лопатками турбины при скорости ветра от 1 до 20 м/с составил 46%, т.е. на 14% выше, чем в прототипе.The maximum efficiency (Betz calculation) of the proposed wind turbine with 32 turbine blades at a wind speed of 1 to 20 m / s was 46%, i.e. 14% higher than in the prototype.

Claims

CLAIM

A wind power installation comprising at least one wind turbine containing a central body consisting of a frontal fairing, a middle part, a tail fairing, an axial turbine with blades, and an annular fairing with a section of the shape of an asymmetric wing profile, characterized in that the wind turbine further comprises a guiding apparatus, made in the form of fixed blades mounted radially between the central body and the annular cowl in a plane corresponding to the minimum internal diameter an annular fairing, the convex part of which is the inner surface forming it, and the frontal fairing of the wind turbine is made in the form of a hemisphere, and the axial turbine with blades is located in the middle part of the central body, while the blades of the axial turbine are installed behind the stationary blades of the guide vane, moreover, the ratio of the maximum diameter of the central body to the outer diameter of the turbine blades is 0.45-0.55.