HUH3887A

HUH3887A - Wind-turbine with strained structure

Info

Publication number: HUH3887A
Application number: HU9502614A
Authority: HU
Inventors: Lajos Székely
Original assignee: Csúcstechnika Kft; Lajos Székely
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1999-05-28
Also published as: HU9502614D0; HU9500225V0; HU1102U

Description

KÖZZÉTÉTELIDISCLOSURE

PÉLDÁNYCOPIES

4'4 '

Feszített szerkezetű szélturbinaTensioned wind turbine

-Bejelentő/feltaláló: Székely Lajos, Budapest- Applicant / Inventor: Lajos Székely, Budapest

A be jelentésnStpj«Ut-_ 1995. augusztus 23. Száraaztatási elsőbbség: 1995 március 2' szó találmány tárgya szélenergia átalakítására gá 1 ó ^szélturbina^szerkezetLCField of the Invention Report June 23, 1995 Drying Priority: March 2, 1995 The invention relates to the conversion of wind energy into a gas wind turbine.

A szél energiájának átalakítása a legkisebb környezeti terheléssel járó energiaforrás. Évezredek óta ismertek hasznosítási módjai, A szélenergia hasznosításának legfőbb akadálya, hogy a szél sebessége és iránya adott földrajzi ponton időben széles tartományban változik és nehézséget okoz az átalakító szerkezet változó szélsebességhez történő illesztésének megoldása, továbbá , hogy a célszerűen nagyteljesítményű szélturbina nagy vitorlafelületet szilárdsági szempontból szerkezetet legnagyobb igényel, és a az előforduló szélsebességre kell méretezniWind energy conversion is the source of energy with the least environmental impact. The main obstacles to utilizing wind energy are that the speed and direction of the wind change over a wide geographic time and cause difficulty in adapting the transducer to varying wind speeds, and that a high-power wind turbine with a large sail area is and must be scaled to the wind speed that occurs

További nehézséget jelent, hogy szél energiája a talaj közelében Jóval kisebb, ezért a szerkezetek magas tornyot igényelnek.Another difficulty is that the wind energy near the ground is much lower, so the structures require a tall tower.

A vízszintes tengelyű szélturbinák ugyanakkora teljesítményt kisebb méretű szerkezettel állítanak elő, ezért előnyösebbek és elterjedtebbek annak ellenére, hogy a függőleges tengelyű szélturbinák a változó szélirányhoz illesztést nem igényelnek.Horizontal axis wind turbines produce the same performance with smaller size structures, and are therefore more advantageous and more widespread, although vertical axis wind turbines do not require adaptation to changing wind direction.

A vízszintes tengelyű szélturbinák ismert megoldásai közül vannak olyanok, amelyek a szél változó irányához való alkalmazkodást azáltal valósítják meg, hogy a 4YV turbina forgási síkját a széliránnyá·! merőlegesen állítják be. Ilyen megoldást ismertet például a DEKnown solutions for horizontal axis wind turbines are those that adapt to the changing direction of the wind by moving the rotation plane of the 4YV turbine to the wind direction! are set perpendicularly. Such a solution is described, for example, in DE

2949057 Al vagy a HU 102654 leírás. Más megoldás szerint a turbinát szélcsatornával veszik körül, amely az áramló levegőt a turbina forgási síkjára merőleges irányba tereli. Ilyen megoldást ismertetnek például az US/2949057 Al or HU 102654. Alternatively, the turbine is surrounded by a wind tunnel that directs the flowing air perpendicular to the rotation plane of the turbine. Such a solution is described, for example, in US /

A.080,100 és az US/ 4,1 140,433 leírások.A.080,100 and U.S. Pat. No. 4,140,433.

VV

A változó szélsebességhez történő alkalmazkodást a lapátszög állítása biztosítja. Erre mutat ,megoldást szánű n&MgetkiZl· jgatadaín*», például a PG3· WO 90/07646 (leírási amely egy kritikus fordulatszámérték és/vagy szélsebesség túllépése esetén a lapátszög változtatásával csökkenti a szélirányra merőleges felületet és fékezi a forgást, meggátolva a szerkezet károsodását. Az US/ 4,(111,601 leírás szerinti Lz megoldás a fordulatszám függvényében állítja a lapátszöget optimalizálva a turbina energlhasznosítását, jzctfwú fZ&bacictfrniAdjusting the blade angle ensures adaptation to the changing wind speed. This is solved by a dedicated n & MgetkiZl · jgatadine *, such as PG3 · WO 90/07646 (a description which, when a critical rpm and / or wind speed is exceeded, reduces the surface perpendicular to the wind by rotating the blade angle and prevents damage to the structure. US / 4, (111,011), Lz adjusts the blade angle as a function of speed to optimize turbine power utilization,

Az EP 0 391 702 Al (leírás szerinti megoldásban a lapátok állásszögét a szélnyomás állítja be miközben a szélirányra merőleges felület csökken és a túlpörgés elleni védelem is megvalósul.In EP 0 391 702 A1, the blade angle is adjusted by the wind pressure, while the surface perpendicular to the wind direction is reduced and over-spin protection is achieved.

• »• »

Az ismert megoldások megegyeznek abban, hogy optimális működésük közben a szélirány merőleges a turbina forgási síkjára, amit kiegészítő szerkezeti egységek biztosítanak. Ezek a szerkezeti egységek jelentős áremelkedést okoznak, bonyolulttá teszik a szerkezetet és a legnagyobb szélsebességre történő méretezésük miatt nagy szilárdsági követelményeknek kell eleget tenniük. A forgássíkot a szélirányra merőlegesen fordító megoldásoknál, ahol a torony kikötése a változó forgássík miatt nehezen megoldható, a toronynak önmagának kell a szél nyomása által keltett erőhatásokat elviselni, tehát robosztus tornyokat kell építeni,The known solutions agree that during their optimum operation the wind direction is perpendicular to the rotation plane of the turbine provided by additional structural units. These units cause significant price increases, complicate the structure and have to meet high strength requirements due to their design at maximum wind speeds. For solutions that rotate the rotation plane perpendicular to the wind direction, where the anchorage of the tower is difficult to solve due to the changing rotation plane, the tower itself must withstand the forces exerted by the wind pressure;

A ‘találmánywrfí—ooerinti -minta, olyan vízszintes tengelyű, nagyteljesítményű szélturbina egyszerű és viszonylag nem költséges szerkezetének kialakítását célozza meg, amely nem igényli a turbina síkjának a szélirányra merőleges állítását, miközben nagy szilárdsági követelményeket is kielégít.The present invention aims to provide a simple and relatively inexpensive structure of a high-power wind turbine with a horizontal axis that does not require the turbine plane to be perpendicular to the wind direction, while meeting high strength requirements.

A találmány szerinti megoldáshoz az a felismerés vezetett el, hogy önállóan beálló lapátküllőkkel megvalósított feszített szerkezettel nagy szilárdsági követelmények kielégítése válik lehetségessé egyszerűen és viszonylag kis anyagszükséglettel, tehát olcsón, miközben rögzített forgássík esetén is lehetőség van a szél széles tartományba eső pillanatnyi irányához történő alkalmazkodáshoz.The invention has led to the discovery that by means of a tensioned structure implemented by self-propelling blades, it is possible to meet high strength requirements simply and with relatively low material requirements, thus being inexpensive, while adjusting to the instantaneous wind direction.

A találmány szerinti feszi tett > ^turbina szerkeze t<ÁJ tehát a szélenergia vízszintes tengelyű és rögzített forgásslkű forgással történő átalakítására szolgál. A szerkezet peremkereket, kerékagyat és lapátküllöket xartálmaz. A peremkerék és a kerékagy a közöttük kífeszített és hozzájuk kapcsolódó lapátküllök által rögzítettek egymáshoz. A lapátküllök kétsoros elrendezésűek, azaz kapcsolódási pontjaik a kerékagy hengerpalástjának két végén helyezkednek el. Az egyes lapátküllök a peremkerékhez és a kerékagyhoz tartozó kapcsolódási pontjaik által kijelölt egyenesen elhelyezkedő tengelyük körül rugalmasan elfordíthatóak. A lapátküllöknek ezen tengelyvonala nem egyezik meg a lapátküllő súlyvonalával.The tensioned turbine structure of the present invention is thus designed to convert wind energy by horizontal axis and fixed rotation. The structure is equipped with x-wheels, hub and paddle shafts. The flange wheel and hub are secured to each other by the spreader arms that are stretched between them and connected to them. The paddles are double-rowed, ie their points of contact are located at both ends of the rim of the hub cylinder. Each paddle wheel may be pivotably rotated about their perpendicular axis designated by their attachment points to the flange wheel and hub. This axis of the blades does not coincide with the center of gravity of the blades.

A találmány egy előnyös megvalósítása szerint a lapátküllő tengelyén torziós rugőx tarta-lmaz-. void ·According to a preferred embodiment of the invention, the shaft of the impeller comprises a torsion springx. void ·

A találmány egy előnyös megvalósítása szerint a lapátküllön legalább két merev szárnyprofil/, ezeket kifeszítő huzalok.^ és rájuk feszített vitorlc^ő tar-talmag-.· VOW fí-r&vctEfcPf/·According to a preferred embodiment of the invention, the paddle shroud has at least two rigid wing profiles, and wires that stretch them, and the contents of the sails being stretched on them. · VOW fri & vctEfcPf / ·

A találmány egy előnyös megvalósítása szerint a kerékagy belső terében villamos generátor^ tártra ímag. Wxn.According to a preferred embodiment of the invention, an electric generator is stored inside the hub. Wxn.

A találmány egy másik előnyös megvalósításában a peremkerék dörzshajtással villamos generátorhoz vagy más munkagéphez kapcsolódik.In another preferred embodiment of the invention, the flange wheel is frictionally coupled to an electric generator or other machine.

A fenti módonAs above

megvalósított iturbina egyszerű és viszonylag nem költséges szerkezetű, amely nem Igényli a turbina síkjának a szélirányra merőleges állítását, miközben nagy szilárdsági követelményeket is kielégít.It is a simple and relatively inexpensive structure that does not require adjustment of the turbine plane perpendicular to the wind direction while meeting high strength requirements.

A talál m á rryzsaer inti—caerkoaoto» részletesen egy elOnjOb példaként szolgáló kiviteli alak alapján az ábrák segítségével ismertetjük.The invention is described in detail with reference to the drawings, in accordance with a first exemplary embodiment.

Kz 1. ábra a íturbina -egy—pifiny^fteelftelyezését mutatja metszetben.Kz Figure 1 is a sectional view showing the preconstruction of the one-pifiny ^ft burrow turbine.

A 2. ábra egy -a—példa—ggoriritl lapátküllöt mutat j-su metszetben.Figure 2 shows a -a-example-ggoriritl paddle shuttle in section j-su.

A 3, ábra a tcrrbrna J részletét mutatja oldalnézetbenFigure 3 is a side view of the tcrrbrna J

A 4. ábra egy jolM-de· czeri-rrtj· szárnyprof ilt mutat.Figure 4 shows a wing profile of jolM-de-cerzer-rrtj.

E2tí· yE2tí · y

A példaként szolgáló >turbinaszerkezet 1 peremkeréket, 3 kerékagyat és célszerűen 32 darab 2 lapátküllöt; tartalmaz. Az 1 peremkerék és a 3 kerékagy a közöttük kífeszltett hozzájuk kapcsolódó 2 lapátküllök által rögzítettek egymáshoz. A 2 lapátküllök sorban felváltva kapcsolódnak a 3 kerékagy hengerpalástjának két végéhez. A 2 lapátküllö tengelye két 11,18 torziós rugó.An exemplary turbine structure comprises a flange wheel 1, a wheel hub 3 and preferably 32 blade spokes 2; contain. The flange wheel 1 and the wheel hub 3 are secured to one another by the spatulas 2 attached to them, which are tensioned between them. The paddles 2 are alternately connected to the two ends of the cylindrical surface of the hub 3 in turn. The shaft of the impeller 2 is two 11,18 torsion springs.

Az 1 peremkerékhez a 10 kapcsolódási ponton rögzített ll torziós rugó kisebb rugóállandójú, mint a 3 kerékagyhoz a kapcsolódási ponton rögzített 18 torziós rugó. A 11,18 torziós rugók a 10,15 kapcsolódási pontokon hosszirányban csavarral feszithetöek. A 9 szárnyprofíl furatán keresztül haladó 11 torziós rugó a 12 rögzítéssel mereven kapcsolódik a 9 szárnyprofílhoz, a 17 szárnyprofíl furatán keresztül haladó 18 torziós rugó a rögzítéssel kapcsolódik mereven a 17 szárnyprofílhoz. A 9 szárnyprofilt a 13,14 kifeszítö huzalok kötik össze a szárnyprofillái , amelyekre vitorla van feszítve. A 2 lapátküllö tengelyét alkotó 11,18 torziós rugókhoz a 14 kifeszítö huzal közelebb van, mint a 13 kifeszítö huzal.The torsion spring II attached to the flange 1 at the attachment point 10 has a smaller spring constant than the torsion spring 18 attached to the hub 3 at the attachment point. The torsion springs 11,18 can be longitudinally bolted to the connection points 10,15. The torsion spring 11 passing through the hole in the wing profile 9 is rigidly connected to the wing profile by the fastening 12, the torsion spring 18 passing through the hole in the wing profile 17 is rigidly connected to the wing profile 17 by its fastening. The wing profile 9 is connected by the stretching wires 13,14 to the wing profiles on which the sail is tensioned. The tension wire 14 is closer than the tension wire 13 to the torsion springs 11,18 forming the shaft of the impeller 2.

A 9,17 szárnyprofilok tengelyesen szimmetrikus keresztmetszete a 11,18 torziós rugók közelében a legnagyobb és a 13,14 kifeszítö huzalok felé fokozatosan csökken. A 9 szárnyprofil arányosan nagyobb, mint a 17 szárnyprofil, tehát a lapátküllő oldalnézetben trapéz alakot mutat. Az 1 peremkerék a talajszinten elhelyezett villamosgenerátorhoz dörzshajtással csatlakozik.The axially symmetrical cross-section of the wing sections 9.17 near the torsion springs 11.18 is the largest and gradually decreases towards the stretching wires 13.14. The wing profile 9 is proportionally larger than the wing profile 17, thus showing a trapezoidal shape in the side view. The flange wheel 1 is connected to the ground level generator by friction drive.

A turbinaszerkezet a 4 sodronyokkal kikötött két darab 5 oszlop által tartott 6 turbínatengelyen van elhelyezve. A 3 kerékagy csapágyakon támaszkodik a 6 turbinatengelyre.The turbine structure is disposed on a turbine shaft 6 supported by two columns 5 connected by wires 4. The wheel hub 3 rests on the bearings on the turbine shaft 6.

Szélcsendben az 1 peremkerék és a 3 kerékagy közé kifeszített 2 lapátküllöket a 11, 18 torziós rugók olyan helyzetben tartják, hogy a 17 szárnyprofil, a 13, 14 kifeszítö huzalok, a 9 szárnyprofil valamint az 1 peremkerék ívének a 10 kapcsolódási ponthoz közel eső szelete egy síkban legyenek.In a silence, the torsion springs 2 tensioned between the flange wheel 1 and the hub 3 are held by torsion springs 11, 18 such that the wing profile 17, the tension wires 13, 14, and the flange of the flange 1 in a plane.

Ha a szél sebességének van az 1 peremkerék síkjára merőleges komponenese, akkor a 2 lapátküllök két oldala között nyomáskülönbség jön létre. Mivel a 14 kifeszítö huzal a 11, 18 torziós rugók által kijelölt tengelyvonahoz közelebb van, mint a 13 kifeszítö huzal, a lapátküllönek a 13 kifeszítö huzal felé eső oldalára nagyobb szélerő hat, mint a 14 kifeszítő huzal felé eső oldalra. Ez az erő a 9, 17 szárnyprofilokat és az egész 2 Iapátkűllöt olyan mértékben fordítja el, hogy a deformált 11, 18 torziós rugók és a szél által keltett forgatőnyomaték egymást kiegyenlítse. A már elfordult 2 lapáfküllö két oldala között fellépő nyomáskülönbség által kifejtett erő két komponenesre bontható, amelyből az egyik a^turbina forgási síkjára merőleges és a «turbina szerkezetét terheli, a másik erökomponens a forgási síkkal párhuzamos és a turbinát forgatja. A 2 lapátküllő elfordulásának mértéke a 2 lapátküllö és a szél relatív sebességétől függ. A 2 lapátküllönek az 1 peremkerékhez közelebb eső végén, ahol nagyobb a 2 lapátküllö tangencíáXis sebessége, az elfordulás mértéke kisebb, mint a kerékagyhoz közelebb eső végén. Ezt az eltérő beállást a rugóállandók különbözősége is elősegíti. A szél sebességének növekedésével a 2 lapátküllők elfordulásának szöge növekszik, ezáltal lapátküllöre ható szélerőnek a^turbina csökken a szerkezetét terhelő komponense,Λ turbinát forgató komponense pedig a rv rugóállandó által korlátozott^ .Rém lehet nagyobb ugyanis lapátküllö 90^e-os lapátküllő önbeálló annál az erőnél, mint amely a elforgatásához szükséges. A 2 képessége ezáltal a szerkezet vihar elleni védelmét is megoldja. Az egyes 2 lapátküllők a többi 2 lapátküllőtöl függetlenül és gyorsan felveszik a szél sebességéhez és irányához tartozó állásszöget. A «turbina abban az esetben is közel Optimálisan működik, amikor a szél iránya nem merőleges aVurbina forgási síkjára, ekkor ugyanis az egyes 2 lapátküllök és a szél relatív sebessége állandó sebességű és Irányú szél mellett is a ^turbina egy fordulatán belül folyamatosan változik. A szélirány 180°os megváltozása esetén is a szél ugyanabba az irányba sül forgatja a^turbinát. Az 1 peremkereket és a 2 lapátküllök rögzítik a 3 kerékagyhoz. A 2 lapátküllök kizárólag húzásra, az 1 peremkerék jellemzően nyomásra vannak igénybevéve. Az 1 peremkereket érő külső radiális irányú erőhatásnak az erőhatással szemben levő oldalon található, előfeszített 2 lapátküllök állnak ellen, tengelyirányú külső erőhatásnak pedig a 3 kerékagynak az erőhatás felöli oldalán rögzített 2 lapátküllők állnak ellen. A kizárólag húzásra igénybevett szerkezeti elemek kellően vékonyak, a légellenállásuk minimális.If the wind speed has a component perpendicular to the plane of the flange 1, a pressure difference is created between the two sides of the blades 2. As the tensioning wire 14 is closer to the axis drawn by the torsion springs 11, 18 than the tensioning wire 13, a greater wind force is applied to the side of the paddle shoe toward the tensioning wire 13 than to the side towards the tensioning wire 14. This force rotates the wing profiles 9, 17 and the entire paddle blade 2 to such an extent that the deformed torsion springs 11, 18 and the torque generated by the wind compensate for each other. The force exerted by the pressure difference between the two sides of the rotated blade spinner 2 can be divided into two components, one of which is perpendicular to the axis of rotation of the turbine and acts on the structure of the turbine, the other force component rotates and rotates the turbine. The degree of rotation of the paddle 2 depends on the relative speed of the paddle 2 and the wind. At the end of the paddle blade 2 closer to the rim 1, where the tangential speed of the paddle blade 2 is higher, the degree of rotation is smaller than at the end closer to the hub. This difference is also facilitated by differences in the spring constants. The wind speed increase of 2 lapátküllők rotation angle increases, thereby lapátküllöre by wind force to ^ turbine decreases component imposed on the structure of Λ turbine rotation component is limited by rv spring constant ^ .Rém more because lapátküllö 90 ^e cent lapátküllő spherical than the force as needed to rotate it. The ability of the 2 thereby also protects the structure against the storm. Each blade spreader 2, independently of the other blade spreader 2, quickly and rapidly adopts the angle of the wind speed and direction. Even when the wind direction is not perpendicular to the rotation plane of the turbine, the turbine operates at near optimum, since the relative velocity of each blade spreader 2 and the wind are constantly changing and even with a directional wind within one revolution of the turbine. Even if the wind direction changes 180 °, the wind rotates the turbine in the same direction. The flange wheel 1 and the paddle shafts 2 are fixed to the wheel hub 3. The paddle shafts 2 are only subjected to traction, the rim wheel 1 being typically subjected to pressure. The outer radial force impinging on the flange wheel 1 is resisted by the pretensioned blades 2 on the side opposite to the force, and the axial external force by the blades 2 fixed on the force side of the hub 3. The structural elements used only for pulling are sufficiently thin and have minimal air resistance.

A találmány szerinti szélturbina lapátküllöi gyorsan és külön-külön alkalmazkodnak a szél erősségéhez és kielégítő irányához| ezáltal a szélturbina akkor is hatásfokkal működik, ha a G-»turbina forgássíkja nem merőleges aWind turbine blades of the present invention adapt rapidly and individually to wind force and satisfactory direction | thus the wind turbine operates efficiently even if the rotation plane of the G »turbine is not perpendicular to the

Vf&nXi rögzített egyszerű, egységeket forgatni,Vf & nXi fixed simple, rotate units,

Szerkezete szerkezeti szélirányra, tehát nem kell forgássíkkal üzemeltethető.Its structure is designed for structural wind direction, so it does not have to be rotated.

anyagtakarékos, kiegészítő nem igényel, tehát költségkímélő. Nagy szilárdsági követelményeknek eleget tesz, nagy méretben is készíthető, tehát nagyteljesítményű <?>t£-turbinák megvalósítására is alkalmas. Működtetése biztonságos, mert kiegészítő fékezés nélkül a fordulatszám korlátozva van. Nem várt előnyként jelentkezik, hogy robosztus torony helyett kikötött, karcsú oszlopokra helyezhető.material-saving, does not require an accessory, so it is cost-effective. It meets high strength requirements, can be manufactured in large sizes, so it can be used for high performance <?> T £ turbines. It is safe to operate because the speed is limited without additional braking. An unexpected advantage is that it can be placed on fixed, slender pillars instead of a robust tower.

További nem várt előny, hogy az energia levétele is egyszerű. További külön előny, hogy a Turbina bármilyen irányú szél esetében azonos irányba forog, ezáltal a szél esetleges irányváltásakor nem fékeződik le.Another unexpected benefit is that the removal of energy is easy. A further advantage is that the Turbine rotates in the same direction in any direction of the wind, so that it does not stop when the wind changes direction.

Claims

claims

1. Stretched turbocharger structure for converting wind energy with horizontal axis and fixed rotational plane rotation, comprising a turbine base wheel (1), a wheel hub (3) and a paddle wheel (2), characterized in that the rim wheel (1) and the wheel hub (3) secured to each other by tensioned, associated blade spokes (2), the connection points (10,15) of the blade spokes (2) located at both ends of the cylindrical body of the hub (3), each blade spokes (2) to the flange (1) and hub ( 3) are pivotally pivotally connected to the flange wheel (1) and the hub (3) about their axes, which are defined by their respective points of attachment (10,15) and are disposed on a straight line other than the center of gravity of the blade spreader (2).

2. A turbine according to claim 1, characterized in that a torsion spring / (11,18) is provided on the shaft of the impeller shaft (2).

3. A turbine insert as claimed in any one of claims 1 to 5, characterized in that the paddle sheave (2) has at least two rigid wing profiles / (9,17), the wires stretching them, and the sails / rails tensioned thereon? i / om eXtcuzoteíuze-.

. 2? J

4. A turbine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an electric generator / "tortalaag" is provided inside the hub (3). / Ε / <ί - 9X1. 2-3

5. A turbine according to any one of the preceding claims, characterized in that the flange wheel (1) is frictionally coupled to an electric generator or other machine.

(e / ά '<Com.)