RU112954U1

RU112954U1 - DEVICE FOR AERODYNAMIC REGULATION OF VERTICAL-AXIAL AXIAL WIND POWER INSTALLATION ROTOR

Info

Publication number: RU112954U1
Application number: RU2011124857/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Геннадьевич Николаев; Евгений Викторович Соломин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГРЦ-Вертикаль"
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-01-27

Abstract

Устройство аэродинамического регулирования частоты вращения ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки, состоящее из коромысла, имеющего V-образную форму с инерционным грузом на нижнем плече коромысла и пластиной в форме сектора круга на верхнем его плече, при этом коромысло установлено на оси его вращения, находящейся внутри цилиндрической траверсы ротора таким образом, что когда ротор находится в состоянии покоя, пружина, притягивающая нижнее плечо коромысла к стенке траверсы, находится в сжатом положении, а при вращении ротора под действием центробежной силы нижнее плечо коромысла отклоняется при некоторой критической частоте вращения, тем самым растягивая пружину и выводя верхнее плечо коромысла с пластиной вверх, создавая аэродинамическое торможение за счет увеличения лобового сопротивления вращению ротора пластиной верхнего плеча коромысла. A device for aerodynamic control of the rotor speed of a vertical-axial wind power plant, consisting of a rocker arm having a V-shape with an inertial weight on the lower arm of the rocker arm and a plate in the form of a sector of a circle on its upper arm, while the rocker arm is installed on the axis of its rotation located inside cylindrical rotor cross-arm in such a way that when the rotor is at rest, the spring that attracts the lower arm of the rocker arm to the cross-arm wall is in a compressed position, and when the rotor rotates under the action of centrifugal force, the lower arm of the rocker arm deflects at a certain critical rotation frequency, thereby stretching spring and bringing the upper arm of the rocker arm with the plate upwards, creating aerodynamic braking by increasing the drag on the rotation of the rotor by the plate of the upper arm of the rocker arm.

Description

Настоящая полезная модель относится к устройствам регулирования частоты вращения ротора ветроэнергетической установки.This utility model relates to devices for controlling the rotational speed of a rotor of a wind power installation.

Целью полезной модели является стабилизация частоты вращения ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки на определенном уровне скорости набегающего потока ветра с целью ограничения максимальной частоты вращения ротора при дальнейшем возрастании скорости ветра. Цель достигается с помощью применения устройства, работающего на основе использования центробежных сил и активируемого при достижении определенной частоты вращения ротора.The purpose of the utility model is to stabilize the rotor speed of a vertically axial wind power plant at a certain level of speed of the incoming wind flow in order to limit the maximum rotational speed of the rotor with a further increase in wind speed. The goal is achieved by using a device operating on the basis of the use of centrifugal forces and activated when a certain rotor speed is reached.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с вертикальной осью вращения представляет собой систему агрегатов для передачи кинетической энергии набегающего потока ветра в электрическую энергию генератора с последующим преобразованием ее в форму, удобную для потребления конкретным потребителем. Основное преимущество вертикально-осевых установок с быстроходностью (отношением скорости набегающего потока к линейной скорости внешних точек лопастей) больше единицы перед традиционными горизонтально-осевыми установками (пропеллерами) заключается в том, что их работа не зависит от направления потока ветра. Набегающий поток действует на лопасти ротора ВЭУ, имеющие аэродинамическую форму, и создает аэродинамическую силу, направленную перпендикулярно вектору потока и оси вращения ротора. В результате действия подъемных сил всех лопастей создается интегральный крутящий момент, который приводит к вращению ротора. С возрастанием скорости ветра растет частота вращения ротора по нелинейному закону в соответствии с параметрами ротора. При этом возрастание мощности, которой располагает электрический генератор, происходит в кубической зависимости от скорости ветра и может достигать нескольких порядков. Однако на практике генератор невозможно разработать на слишком широкий диапазон мощностей, учитывая конструктивные особенности электромашины (ограничение по плотности тока в связи с ограниченным диаметром провода, определенной конечной толщиной обмотки и т.д.). Более того, электромашина, как правило, рассчитывается на номинальную точку, в которой достигается оптимальное соотношение определяющих величин (мощность, напряжение, КПД, ток). Из практики известно, что, например, если при скорости ветра 10 м/с аэродинамическая мощность ротора составляет 3 кВт, то при скорости ветра 20 м/с уже 30 кВт, а при скорости ветра 40 м/с - 300 кВт. Очевидно, что электрогенератор не может быть разработан на весь диапазон мощностей, в связи с чем применяются технические решения по ограничению частоты вращения ротора установки - выводу ротора из-под ветра с помощью наклона установки под действием давления потока, ограничению частоты вращения ротора за счет изменения установочных углов лопасти (углов заклинивания) за счет действия центробежных и/или аэродинамических сил и т.д. Также существуют технические решения в области электроники и электротехники, направленные на создание тормозящего момента электрогенератора. Из всех известных решений аэродинамическое регулирование является наиболее простым и менее дорогостоящим.A wind turbine (VE) with a vertical axis of rotation is a system of units for transferring the kinetic energy of an incoming wind flow into the electric energy of a generator, followed by converting it into a form convenient for consumption by a specific consumer. The main advantage of vertical-axis installations with high speed (the ratio of the speed of the incoming flow to the linear speed of the outer points of the blades) is greater than one over traditional horizontal-axis installations (propellers) is that their operation does not depend on the direction of the wind flow. The incoming flow acts on the rotor blades of a wind turbine, having an aerodynamic shape, and creates an aerodynamic force directed perpendicular to the flow vector and the axis of rotation of the rotor. As a result of the action of the lifting forces of all the blades, an integral torque is created, which leads to the rotation of the rotor. With increasing wind speed, the rotor speed increases according to a nonlinear law in accordance with the rotor parameters. In this case, the increase in power available to the electric generator occurs in a cubic dependence on the wind speed and can reach several orders of magnitude. However, in practice, it is impossible to develop a generator for an overly wide range of capacities, taking into account the design features of the electric machine (limitation in current density due to the limited wire diameter, a certain final winding thickness, etc.). Moreover, an electric machine, as a rule, is calculated at a nominal point at which an optimal ratio of determining values is achieved (power, voltage, efficiency, current). It is known from practice that, for example, if at a wind speed of 10 m / s the rotor aerodynamic power is 3 kW, then at a wind speed of 20 m / s it is already 30 kW, and at a wind speed of 40 m / s - 300 kW. Obviously, the electric generator cannot be developed for the entire range of capacities, and therefore technical solutions are used to limit the rotor speed of the installation - to remove the rotor from the wind by tilting the installation under the influence of flow pressure, limiting the rotor speed by changing the installation blade angles (jamming angles) due to the action of centrifugal and / or aerodynamic forces, etc. There are also technical solutions in the field of electronics and electrical engineering, aimed at creating a braking torque of the generator. Of all the known solutions, aerodynamic regulation is the simplest and least expensive.

Известен ряд патентов в области аэродинамического регулирования частоты вращения роторов вертикально-осевых ветроэнергетических установок - 2347104, 2235901 и т.д. Изобретение (патент №2347104) наиболее близко к настоящей модели по целям и способам их достижения и может являться прототипом для настоящей модели. Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в электромашиностроении. Ротор вертикально-осевой ветряной установки содержит ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус. Обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов, а свободные концы лопастей покрыты концевыми обтекателями, выступающими за край профиля лопасти на величину от 0.5 до 1 максимальной толщины профиля. В другом варианте выполнения лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединены сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0,5-0,65 от ширины их сечения, причем обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов. Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра до 37%, возможность самораскрутки ротора и ограничение скорости вращения при сильном ветре, снижение шума от работы установки, способность по прочности выдерживать ураганный ветер до 45-60 м/с.A number of patents are known in the field of aerodynamic regulation of the rotor speed of vertically axial wind power plants - 2347104, 2235901, etc. The invention (patent No. 2347104) is closest to the present model in terms of goals and methods for achieving them and can be a prototype for the present model. The invention relates to wind energy and can be used in electrical engineering. The rotor of a vertical-axis wind turbine contains a series of vertical blades rotating around a vertical axis and a hub located at the center of rotation, from which power traverses closed into aerodynamic fairings radially extend, to which these blades are alternately attached, pointing upwards, forming the upper tier of the rotor, and along downward, forming the lower tier. Fairings mounted on parts or on all traverses are mounted in two sections made in the form of centrifugal aerodynamic brakes, and the free ends of the blades are covered with end fairings protruding beyond the edge of the blade profile by 0.5 to 1 maximum profile thickness. In another embodiment, the blades of the upper tier are offset with respect to the blades of the lower tier by half the angular distance between the blades in the tier, the upper ends of the blades of the upper tier and the lower ends of the blades of the lower tier are connected by flattened rings, the section height of which is 0.5-0.65 from the width of their cross section, with fairings installed on parts or on all traverses, mounted from two sections, made in the form of centrifugal aerodynamic brakes. The use of the invention provides an increase in the coefficient of utilization of wind energy up to 37%, the possibility of self-rotation of the rotor and the limitation of the speed of rotation during strong winds, reduction of noise from the installation, the ability to withstand hurricane winds up to 45-60 m / s.

Недостатком прототипа, в частности, конструкции аэродинамического тормоза, является сложность и ненадежность системы аэродинамического регулирования, при которой аэродинамические обтекатели под действием центробежных сил должны провернуться на червячной передаче в разные направления вращения. Кроме того, конструкция аэродинамических тормозов является чрезвычайно дорогостоящей в связи с наличием обтекателей аэродинамической формы, особой конструкцией червячной передачи, ответственной калибровкой сжимаемой пружины и т.д. Название «тормоз» также не отражает функциональных особенностей заявленного механизма, поскольку данная конструкция не может по определению затормозить ротор до полной остановки.The disadvantage of the prototype, in particular, the design of the aerodynamic brake, is the complexity and unreliability of the aerodynamic control system, in which aerodynamic fairings under the action of centrifugal forces must rotate in a worm gear in different directions of rotation. In addition, the design of aerodynamic brakes is extremely expensive due to the presence of aerodynamically shaped fairings, a special worm gear design, responsible calibration of a compressible spring, etc. The name "brake" also does not reflect the functional features of the claimed mechanism, since this design cannot, by definition, brake the rotor to a complete stop.

Цель настоящей полезной модели достигается тем, что каждая траверса ротора оснащается устройством аэродинамического регулирования, которое снижает крутящий момент ротора за счет увеличения лобового сопротивления вращению. При этом траверса может содержать несколько предлагаемых устройств, в зависимости от решаемой задачи и соотношения габаритных параметров ротора и устройства.The purpose of this utility model is achieved by the fact that each traverse of the rotor is equipped with an aerodynamic control device that reduces the rotor torque by increasing drag to the front. In this case, the traverse may contain several proposed devices, depending on the problem being solved and the ratio of the overall parameters of the rotor and the device.

Подробное описание конструкции иллюстрируется фиг.1-3.A detailed description of the construction is illustrated in figures 1-3.

Устройство аэродинамического регулирования частоты вращения ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки состоит из коромысла 1, имеющего V-образную форму с инерционным грузом 2 на нижнем плече коромысла и пластиной 3 в форме сектора круга на верхнем его плече, при этом коромысло 1 установлено на оси его вращения 4, находящейся внутри цилиндрической траверсы ротора 5 таким образом, что когда ротор находится в состоянии покоя, пружина 6, притягивающая нижнее плечо коромысла 1 к стенке траверсы 5, находится в сжатом положении, а при вращении ротора под действием центробежной силы нижнее плечо коромысла 1 отклоняется при некоторой критической частоте вращения, как показано стрелкой на фиг.2, тем самым растягивая пружину 6 и выводя верхнее плечо коромысла с пластиной 3 вверх, создавая аэродинамическое торможение за счет увеличения лобового сопротивления вращению ротора пластиной 3 верхнего плеча коромысла 1. При снижении частоты вращения ротора величина центробежных сил снижается и пружина 6 сжимается, возвращая коромысло 1 в первоначальное положение в направлении, указанном стрелкой на фиг.3. Цилиндрическая траверса 5 может быть заключена в аэродинамический обтекатель для снижения лобового сопротивления траверсы во время вращения ротора до критической частоты вращения. Критическая частота вращения, на которой устройство аэродинамического регулирования активируется, т.е. коромысло 1 приводится в движение, определяется разработчиком и рассчитывается с учетом длины и формы плеч коромысла 1, массой груза 2 и жесткостью пружины 6.The device for aerodynamic regulation of the rotor speed of a vertically axial wind power plant consists of a rocker 1 having a V-shape with an inertial load 2 on the lower arm of the rocker arm and a plate 3 in the form of a sector of a circle on its upper arm, while the rocker 1 is mounted on the axis of its rotation 4 located inside the cylindrical traverse of the rotor 5 in such a way that when the rotor is at rest, the spring 6, which attracts the lower arm of the rocker arm 1 to the wall of the traverse 5, is in a compressed position, and when rotation of the rotor under the action of centrifugal force, the lower arm of the rocker arm 1 deviates at a certain critical frequency of rotation, as shown by the arrow in figure 2, thereby stretching the spring 6 and bringing the upper arm of the rocker arm with the plate 3 up, creating aerodynamic drag due to increased drag to rotor rotation plate 3 of the upper arm of the rocker arm 1. When the rotor speed decreases, the magnitude of the centrifugal forces decreases and the spring 6 is compressed, returning the rocker arm 1 to its original position in the direction indicated the arrow in figure 3. The cylindrical traverse 5 can be enclosed in an aerodynamic fairing to reduce the drag of the traverse during rotation of the rotor to a critical speed. The critical speed at which the aerodynamic control device is activated, i.e. the beam 1 is set in motion, determined by the developer and calculated taking into account the length and shape of the arms of the beam 1, the mass of the load 2 and the stiffness of the spring 6.

Claims

A device for aerodynamic control of the rotor speed of a vertical-axis wind power installation, consisting of a rocker arm having a V-shape with an inertial load on the lower arm of the rocker arm and a plate in the form of a sector of a circle on its upper arm, while the rocker arm is mounted on the axis of its rotation inside the cylindrical beam of the rotor in such a way that when the rotor is at rest, the spring attracting the lower arm of the rocker arm to the wall of the beam is in a compressed position, and when rotating and the rotor under the action of centrifugal force, the lower arm of the rocker arm deviates at a certain critical frequency of rotation, thereby stretching the spring and bringing the upper arm of the rocker arm with the plate up, creating aerodynamic drag due to the increase in drag from the rotor plate of the upper arm of the rocker arm.