FI73788B

FI73788B - STROEMNINGSMOTOR.

Info

Publication number: FI73788B
Application number: FI842480A
Authority: FI
Inventors: Niilo Samuel Vihola
Original assignee: Niilo Samuel Vihola
Priority date: 1984-06-19
Filing date: 1984-06-19
Publication date: 1987-07-31
Also published as: FI842480A0; FI842480A; FI73788C

Description

7378873788

Virtausmoottoriflow Engine

Keksinnön kohteena on virtaavan väliaineen käyttä-5 mä virtausmoottori, jossa on kaksi siipijärjestelmää, jotka kumpikin muodostuvat kääntöpyöristä ja kääntöpyö-rien ympäri suoraviivaisesti kulkevasta, päättymättömästä ketjusta, hihnasta tai vastaavasta sekä siihen kiinnitetyistä siivistä, ja jotka siipijärjestelmät on asen-10 nettu V-kirjaimen muotoon.The invention relates to a flow motor driven by a flowing medium, having two vane systems, each consisting of pivot wheels and an endless chain, belt or the like running in a straight line around the pivot wheels, and the vanes attached thereto, the vane systems being V-mounted. shape.

Tunnetut virtausmoottorirakenteet eivät toiminnoiltaan ole tyydyttäviä, vaikka niitä onkin kovasti tutkittu ja kehitelty. Hyötysuhde on heikko, ja pyrittäessä rakentamaan varsinkin suuritehoisia voimaloita ilmenee 15 suuria teknisiä vaikeuksia. Tuulimoottoreiden tapauksessa aiheuttaa lisäksi tuulen suunnan ja nopeuden muutoksien vaatima säädeltävyys ongelmia. Suurikokoiset tuuli-moottorit ovat lisäksi helposti vaurioituvia vaikeissa tuuliolosuhteissa.Known flow motor designs are not satisfactory in function, although they have been extensively researched and developed. Efficiency is low, and there are 15 major technical difficulties in trying to build high-power plants in particular. In addition, in the case of wind turbines, the controllability required by changes in wind direction and speed causes problems. In addition, large wind motors are easily damaged in severe wind conditions.

20 Keksinnön tarkoituksena onkin päästä eroon edel lä mainituista haitoista ja aikaansaada tehokas, hyötysuhteeltaan hyvä virtausmoottori, jonka rakenteen ansiosta saavutetaan tuulimoottorisovellutuksessakin hyvin säätö-mahdollisuudet sekä siipiin suuri nostovoima. Tämä saavu-25 tetaan siten, että siipijärjestelmät on synkronoitu toisiinsa V-kirjaimen kärkipisteessä yhteen kytkettyjen hammaspyörien avulla, ja että siipijärjestelmät on asetettu niitä kohti kapenevien virtauksen tulo- ja poistokanavien väliin läpivirtaustien ahtaimpaan kohtaan.The object of the invention is therefore to get rid of the above-mentioned disadvantages and to provide an efficient, high-efficiency flow motor, the structure of which makes it possible to achieve good control possibilities and a high lifting force in the blades, even in a wind motor application. This is achieved in that the vane systems are synchronized with each other by means of gears connected at the apex of the letter V, and the vane systems are placed between the narrowing flow inlets and outlets at the narrowest point of the flow paths.

30 Siipijärjestelmien V-kulman säätö voidaan pienis sä laitoksissa toteuttaa siipien oman liikkeen avulla. Samoin on tuulimoottorin vaatima siipijärjestelmien suunta-säätö mahdollista toteuttaa siipien oman liikkeen avulla. Suuremmissa laitoksissa lienee edullisinta käyttää säätöi-35 hin moottoreita.30 In small plants, the adjustment of the V-angle of the wing systems can be carried out by means of the wings' own movement. It is also possible to implement the directional adjustment of the wing systems required by the wind motor by means of the blades' own movement. In larger plants, it is probably most advantageous to use variable-speed motors.

2 737882 73788

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää tuulimoottorin siivistöjä päältä nähtynä, 5 kuvio la esittää pitkin kuvion 1 viivaa M-N otet tua leikkausta, kuvio Ib esittää pitkin kuvion 1 viivaa K-L otettua leikkausta, kuvio le esittää pitkin kuvion Ib viivaa 0-P otet-10 tua leikkausta, kuvio 2 esittää tuulimoottoria päältä nähtynä osittain leikattuna, kuvio 3 esittää siivistöä sivusta päin nähtynä, kuvio 3a esittää siivistöä päältä päin nähtynä, 15 kuvio 4 esittää tuulimoottorin alaosan runkoraken netta pitkittäisenä halkileikkauksena, kuvio 5 esittää tuulimoottorin alaosan runkorakennetta, siivistön kannattimia sekä esimerkkiä tuulen suunta-säädön ja ilmantuloaukon säädön toteutuksesta, 20 kuvio 6 esittää kaaviomaisesti tuulimoottoria ja sen kotelointia sivulta nähtynä ilmanvirtaustien poikki-pintoineen, kuvio 7 esittää kaaviomaisesti tuulimoottoria päältä nähtynä ilmanvirtaustien poikkipintoineen, 25 kuvio 8 esittää ilmanvirtauksen ahtautumista tulo puolella ja laajenemista poistopuolella kuvioiden 6 ja 7 mukaisine poikkipintoineen.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a top view of wind turbine blades, Fig. 1a shows a section taken along line MN in Fig. 1, Fig. 1b shows a section taken along line KL in Fig. 1, Fig. 1 shows along line 0b in Fig. 1b. Fig. 2 shows a top view of the wind motor, Fig. 3 shows a side view of the impeller, Fig. 3a shows a top view of the impeller, Fig. 3 shows a longitudinal cross-section of the lower frame structure of the wind motor, Fig. 5 shows the lower frame of the wind motor, Figure 6 shows schematically a side view of a wind motor and its housing with its airflow cross-sections, Figure 7 shows schematically a top view of a wind motor with airflow cross-sections, Figure 7 shows airflow n constriction on the inlet side and expansion on the outlet side with their cross-sections according to Figures 6 and 7.

Kuviossa 1 esitetyssä tuulimoottorissa on kaksi kappaletta ketjukuljetteisia siivistöjä sijoitettu V-kul-30 maan siten, että kulman aukko on virtausta vastaan. Pystyakseleissa 1 ja 2 on niiden ylä- ja alapäässä ketju- tai kääntöpyörät 3, joiden välisiin ketjuihin 4 on siivet 4a kiinnitetty. Siivistöjen liike on synkronoitu toisiinsa akseleihin 1 ketjupyörien 3 alapuolella moottorin peite-3 5 I‘.;v?yjen alla kytkettyjen hammaspyörien 7 avulla siten, 3 73788 että siivet 4a menevät toistensa lomaan tarpeettoman hä-viövirtauksen estämiseksi siivistöjen liityntäpäässä. Sii-vistöjen välisen V-kulman säätämiseksi on molemmat siivis-töt kytketty tankojen 13 ja hammastankojen 11 välityksel-5 lä hammaspyörään 12, jonka liikkeellä voidaan kulmaa säätää. Kuviossa la, joka on kuvion 1 viivaa M-N pitkin otettu leikkaus, näkyvät myös nämä kulmansäätölaitteet.In the wind motor shown in Fig. 1, two pieces of chain conveyor blades are placed on the ground of the V-angle so that the angle opening is against the flow. The vertical shafts 1 and 2 have, at their upper and lower ends, sprocket or swivel wheels 3, between the chains 4 of which the wings 4a are attached. The movement of the vanes is synchronized with each other on the shafts 1 below the sprockets 3 by means of gears 7 connected under the shrouds 3 of the motor so that the vanes 4a rest on each other to prevent unnecessary loss of flow at the connecting end of the vanes. In order to adjust the V-angle between the vanes, both vanes are connected via rods 13 and racks 11 to a gear 12, the movement of which allows the angle to be adjusted. Figure 1a, which is a section taken along the line M-N in Figure 1, also shows these angle adjustment devices.

Kuvioista Ib ja le näkyy tarkemmin esimerkinomainen siipien 4a kiinnitys ketjuihin 4 kehikon 4b avulla.Figures Ib and le show in more detail an exemplary attachment of the wings 4a to the chains 4 by means of the frame 4b.

10 Siipien paino kohdistuu siipikannattimen 6 välityksellä ohjauskiskostoon 5. Siipikannatin 6 on sijoitettu siiven painopisteeseen. Tuulisovellutuksessa on siivet 4a muotoiltu lentokoneen siipiä muistuttaviksi, jolloin siipiin saadaan työntövoima, joka vastaa lentokoneen siipien nos-15 tovoimaa sen noustessa vastaavalla suhteellisella nopeudella ilmavirtaukseen nähden. Optimiteho saavutetaan silloin, kun jokaisen siiven työntövoima on täsmälleen liikkuvan ketjun 4 suuntainen.The weight of the wings is applied to the guide rail 5 via the wing support 6. The wing support 6 is located at the center of gravity of the wing. In the wind application, the wings 4a are shaped to resemble the wings of an aircraft, whereby a thrust force corresponding to the lifting force of the wings of the aircraft is obtained as it rises at a corresponding relative speed with respect to the air flow. Optimum power is achieved when the thrust of each wing is exactly parallel to the moving chain 4.

Kuviossa 2 ja 3 näkyy ilman tulopuolen päissä ole-20 vat tuloilman ohjaimet 8, jotka ohjaavat ilman siivistöi-hin. Kuvioon 2 on myös katkoviivalla piirretty tuloilman ohjaimet V-kulman maksimi- ja minimiasennoissa. Poistoil-man ohjainta on merkitty viitenumerolla 8a.Figure 2 and 3 show the air intake side ends not-VAT entry 20 without guides 8, to guide the air siivistöi-hin. The supply air guides in the maximum and minimum V-angle positions are also shown in broken line in Figure 2. The exhaust air controller is indicated by reference numeral 8a.

Kuviossa 3a näkyy myös tuloilman ohjain 8 sekä sen 25 lisäksi ketjujen, ketjupyörien ja siivistön kannatinraken-teiden peittämiseksi tarkoitettu peitelevy 18. Peitelevy näkyy myös kuviossa 5.Figure 3a also shows the supply air guide 8 and, in addition to it 25, a cover plate 18 for covering chains, sprockets and impeller support structures. The cover plate is also shown in Figure 5.

Kuvioista 4 ja 5, jotka esittävät moottorin alaosaa, ilmenee tuulimoottorin runkorakenteen periaate. Kan-30 tavat rakenteet ovat kevytmetalliprofiileja. Moottorin paino kohdistuu rullien 19 välityksellä moottorin kiinteään alaosaan 20 (Fig. 4). Tämä on puolestaan kiinnitetty kan-natinpylvään 21 päähän. Moottorin kiinteän osan päällä on voimansiirtoakselin 29 kanssa samankeskinen ympyränmuotoi-35 nen kisko 22, jonka ulkoreunassa on hammastus moottorin 4 73788 tuulensuuntasäätöä varten. Kiinteän kiskon reunaa myöten moottori voidaan kääntää siten, että tuuli puhaltaa sii-vistöjen muodostaman V-kulman symmetria-akselin suuntaisesti. Runkopalkistoon kiinnitettyjen kannattimien 23 5 avulla moottori pysyy paikallaan sen kiinteään alaosaan nähden. Voimansiirtoakselilla 29 (Fig. 4) voidaan moottoria käyttää maanpinnalla suoraan mekaaniseen työhön. Kuviossa 4 näkyvä sadevesisuojuksella 25 varustettu tila 24 on mahdollisen generaattorin sijoituspaikka. Kuviossa 10 5 on viitenumerolla 9 merkitty siivistön tukirakennetta, johon akselit 2 on ylä- ja alapäistään laakeroitu ketjujen suuntaan säädettäviksi siten, että ketjujen 4 kireys voidaan aina tarvittaessa säätää oikeaksi. Tätä on merkitty viitenumerolla 10. V-kulman säätöä varten järjestet-15 tyjen poikittaispalkkien 14 ja kannatinrullien 15 välityksellä siivistöjen liikuntakoneistojen paino kohdistuu pohjarakenteen palkistoon. Palkit 17 kannattavat myös siivistöjen tukirakennetta 9. Moottorin ilmantulopuolen ala-ja ylärakenteiden keskinäinen tuenta tapahtuu pystytukien 20 16 avulla. Kuviossa 4 ja 5 on lisäksi esitetty tuulensuun- tasäätö ja V-kulman säätö tapahtuviksi mekaanisesti suoraan tuulimoottorin omasta liikuntakoneistosta. Hammaspyörät 26 ja 26' voidaan valinnaisesti kytkeä sähkömagneettien ohjaamina kiinni siivistöjen synkronointihammaspyö-25 riin 7. Kuvion 5 hammaspyörä 26 käyttää ketjupyörien 27 ja 28 välityksellä hammaspyörää 12 siivistöjen V-kulman säätämiseksi ja hammaspyörä 26' pyörittää ketjupyörien 27' ja 28' ja jälkimmäisen kanssa samalle akselille kiinnitetyn, kiskon 22 ulkoreunan hammastukseen kiinnitetyn ham-30 maspyörän 30 välityksellä siipijärjestelmiä niin, että ne voidaan kääntää siten, että tuuli puhaltaa V-kulman symmetria-akselin suunnassa. Tämän tapainen säätöjen toteuttaminen siipijärjestelmien oman liikkeen avulla on vain eräs ratkaisu, ja se soveltuneekin ainoastaan pienille 35 tuulimoottoreille. Suurissa ja keskisuurissa laitoksissa il 5 73788 lienee sopivinta varustaa molemmat säädöt omilla itsejar-ruttavilla kierukkavaihdemoottoreilla.Figures 4 and 5, which show the lower part of the engine, show the principle of the frame structure of a wind engine. Kan-30 custom structures are light metal profiles. The weight of the motor is applied to the fixed lower part 20 of the motor via rollers 19 (Fig. 4). This in turn is attached to the end of the support column 21. On top of the fixed part of the motor there is a circular rail 22 concentric with the transmission shaft 29, the outer edge of which has a toothing for wind direction adjustment of the motor 4 73788. Along the edge of the fixed rail, the motor can be turned so that the wind blows the V-angle formed by the vanes along the axis of symmetry. By means of the brackets 23 5 attached to the frame beam, the motor remains in place relative to its fixed lower part. With the transmission shaft 29 (Fig. 4), the motor can be operated directly on the ground for mechanical work. The space 24 provided with a rainwater cover 25 shown in Figure 4 is the location of a possible generator. In Fig. 10 5, reference numeral 9 denotes a wing support structure in which the shafts 2 are mounted at their upper and lower ends for adjustment in the direction of the chains, so that the tension of the chains 4 can always be adjusted if necessary. This is indicated by reference numeral 10. Through the transverse beams 14 and the support rollers 15 provided for adjusting the V-angle, the weight of the movement mechanisms of the vanes is applied to the beam of the base structure. The beams 17 is also supported by the blades of the support structure 9. The engine air inlet side of the primary and mutual support superstructure takes place by means of the vertical supports 20 16. Figures 4 and 5 further show that the wind direction adjustment and the V-angle adjustment take place mechanically directly from the wind motor's own movement mechanism. The gears 26 and 26 'can optionally be coupled to the impeller synchronization gear 25 7 under the control of electromagnets. by means of a toothed wheel 30 mounted on the shaft and attached to the toothing of the outer edge of the rail 22 so that the wing systems can be turned so that the wind blows the V-angle in the direction of the axis of symmetry. Carrying out such adjustments by means of the propulsion systems' own movement is only one solution and is therefore only suitable for small wind turbines. In large and medium-sized plants, it is probably most convenient to equip both controls with their own self-braking helical gear motors.

Kuvioissa 6 ja 7 on esitetty, kuinka tuulimoottori on koteloitu venturiperiaatteella siten, että tulopuolel-5 la aiheutetaan ilmavirtauksella suuri nopeuden lisäys, jotta siivistöjen pinta-ala saadaan mahdollisimman pieneksi. Sekä ilman tulo- että poistopuolella on poikkileikkaukseltaan edullisesti suorakaiteen muotoinen, kohti sii-vistöjä kapeneva kanava, ja siivistöt sijaitsevat kuvioi-10 den mukaisesti kanavien välissä, ahtaimmassa kohdassa lä-pivirtaustietä. Kuvioihin 6 ja 7 on lisäksi merkitty ilmanvirtauksen ahtautumista tulopuolella ja laajenemista poistopuolella kuvaavat luvut, jolloin h kuvaa korkeutta ja b leveyttä. Kuvioon 8 on lisäksi merkitty ilmanvirtauk-15 sen ahtautumista ja laajenemista kuvaavat, kuvioiden 6 ja 7 mittoja vastaavat pinta-alat.Figs. Both the air inlet and the outlet side preferably have a rectangular channel with a cross-section tapering towards the vanes, and the vanes are located between the ducts, as shown in Figures 10, at the narrowest point of the flow path. Figures 6 and 7 also show figures for airflow constriction on the inlet side and expansion on the outlet side, where h represents the height and b the width. Fig. 8 also shows areas corresponding to the dimensions of Figs. 6 and 7, which illustrate the constriction and expansion of the air flow.

Vaikka keksintöä onkin edellä selostettu viitaten oheisten kuvioiden mukaiseen tuulimoottoriesimerkkiin, on selvää, että keksinnön mukaista virtausmoottoria voidaan 20 muunnella hyvinkin eri tavoin riippuen moottorin koosta ja siitä, käytetäänkö sitä ilman vai veden virtauksella. Tuulisovellutuksessa on esimerkiksi otettava huomioon, että nopeutetun ilmanvirtauksen työntövaikutuksen on oltava ilman tulo- ja poistopuolen siivissä mahdollisimmaan tar-25 koin samansuuruinen, mutta vastakkaissuuntainen. Tämän varmistamiseksi on mahdollista säätää siipimuoto sopivaksi käynnin aikana.Although the invention has been described above with reference to the example of a wind motor according to the accompanying figures, it is clear that the flow motor according to the invention can be modified in very different ways depending on the size of the motor and whether it is operated with air or water flow. Tuulisovellutuksessa is, for example, take into account that the accelerated air flow pushing action must be the air inlet and outlet side of the wings as a potential tar 25 I felt the same magnitude, but opposite in direction. To ensure this, it is possible to adjust the wing shape to suit during operation.

Joki-, vuorovesi- tai merivirtasovellutuksessa keksinnön mukainen virtausmoottori vaatii luonnollisestikin 30 omat rakennesovellutuksensa, koska se upotetaan kokonaan veteen. Esimerkiksi veden virtausnopeus on rajoitettava sellaiseen arvoon, ettei siivistössä pääse syntymään konventionaalisista vesiturbj.ineista tunnettua kavitaatioil-miötä. Toisaalta esimerkiksi merivirtavoimalasovellutuk-35 sa voidaan ohjaamo- ia koneistotila rakentaa veteen upotet- 6 73788 tavaan turbiiniin kiinteästi kuuluvana osana virtaviivai-sesti suunnitellun pystypalkiston kannattamana riittävän korkealle merenpinnan yläpuolelle sijoituspaikalla esiintyvästä maksimiaallokosta ja lisäksi siten muotoiltuna et-5 tä tuulien vaikutus rakenteisiin on mahdollisimman pieni. Koneistotila sisältäisi muun muassa molemmille turbiinin käyttöakseleille generaattorit/ joiden akselit ulotetaan koneistotilasta turbiiniin. Vuorovesivoimala voidaan puolestaan toteuttaa siten, että suuren lahden tai sisävesi-10 altaan ja avomeren väliin rakennettavaan patoon sijoitetaan nousu- ja laskuvedellä omat turbiinisarjansa siten, että laskuveden turbiinit toimivat pääasiassa säädellyn veden putouskorkeuden aiheuttamalla liike-energialla, kun sen lisäksi nousuveden oma liike-energia yhdistetään avomeren 15 ja patoaltaan vedenkorkeuksien välisen putouskorkeuden aiheuttamaan liike-energiaan, jolloin vuoroveden vaihtelun kokonais tehosta saadaan suurin hyöty.In a river, tidal or ocean current application, the flow motor according to the invention naturally requires its own structural applications, since it is completely immersed in water. For example, the water flow rate must be limited to such a value that no known cavitation effect can occur in the impeller. On the other hand, in an offshore power plant application, for example, the cockpit machinery space can be constructed as an integral part of a submersible turbine supported by a streamlined vertical beam high enough above sea level. The engine room would include, among other things, generators / whose shafts extend from the engine room to the turbine for both turbine drive shafts. The tidal power plant, in turn, can be constructed by placing its own series of turbines in tidal water between a large bay or inland 10 basin and the open sea, so that tidal turbines operate mainly with kinetic energy caused by regulated waterfall height, while tidal kinetic energy is combined. the kinetic energy caused by the fall height between the water levels of the open sea 15 and the dam basin, whereby the maximum benefit of the total power of the tidal variation is obtained.

Vaikka nämä veden virtausta hyväksikäyttävät sovellutukset vaativatkin omia, sovellutuskohteesta riippuvia 20 ratkaisujaan, ovat ne siinä mielessä tuulisovellutusta yksinkertaisempia, että niissä ei tarvita suuntasääntöä, koska veden virtaussuunta on pääasiallisesti aina sama. Veden virtausta hyväksi käyttävät sovellutukset ovat myös siinä mielessä edullisempia, että niistä saatavat tehot ovat huo-25 mattavasti suurempia kuin mitä tuulimoottorista saadaan.Although these water flow applications require their own 20 application-dependent solutions, they are simpler than a wind application in the sense that they do not require a direction rule because the water flow direction is essentially always the same. Applications that take advantage of water flow are also more advantageous in that the powers obtained from them are considerably higher than those obtained from a wind motor.

Claims

73788

A flow motor driven by a fluid medium having two vane systems, each consisting of pivot wheels (3) and an endless chain (4), belt or the like running straight around the pivot wheels, and vanes (4a) attached thereto, the vane systems being arranged In the shape of a V-letter, characterized in that the vane systems 10 are synchronized with each other by means of gears (7) connected at the apex of the V-letter, and in that the vane systems are placed between the narrowing flow inlets and outlets at a narrower point.

Flow motor according to Claim 1, characterized in that it has toothed rods (11) connected to the gear wheel (12) and connected to the support structure (9) of the vanes by means of rods (13) for adjusting the magnitude of the V-angle.

Flow motor according to Claim 2, characterized in that the gear wheel (12) can be optionally connected to the synchronizing gears of the vane systems (26) via a sprocket (28) on the same shaft and a second sprocket (27) and a gear wheel (26) on the same shaft. 7) To adjust the V-angle by means of the own movement of the wings (4a).

Flow motor according to Claim 2, characterized in that the gear wheel (12) is connected to the motor.