RU155043U1

RU155043U1 - WIND ENGINE OGARKOVA

Info

Publication number: RU155043U1
Application number: RU2014147502/06U
Authority: RU
Inventors: Василий Александрович Огарков
Original assignee: Василий Александрович Огарков
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2015-09-20

Abstract

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а именно к двигателям, использующим энергию ветра для преобразования в механическую и электрическую энергию. Ветродвигатель содержит вращающийся вал и прикрепленные к нему одну или несколько лопастей с аэродинамическими поверхностями в форме отрезков винтовой линии. Лопасти выполнены с таким шагом винтовой линии, что касательная к ней наклонена на угол 45° к оси вращения вала. Радиус кривизны аэродинамической поверхности и передней кромки лопасти связаны соотношениемThe utility model relates to the field of wind energy, namely to engines that use wind energy to convert into mechanical and electrical energy. The wind turbine contains a rotating shaft and one or more blades attached to it with aerodynamic surfaces in the form of segments of a helical line. The blades are made with such a pitch of the helix that the tangent to it is inclined at an angle of 45 ° to the axis of rotation of the shaft. The radius of curvature of the aerodynamic surface and the leading edge of the blade are related by the relation

где R - радиус кривизны аэродинамической поверхности, м;where R is the radius of curvature of the aerodynamic surface, m;

r - радиус кривизны передней кромки лопасти, м.r is the radius of curvature of the leading edge of the blade, m

Лопасти выполнены из композитного материала. Полезная модель направлена на увеличение эффективности ветродвигателя, особенно при малых скоростях воздушного потока и уменьшение шума при работе. 4 илл. The blades are made of composite material. The utility model is aimed at increasing the efficiency of a wind turbine, especially at low air flow rates and reducing noise during operation. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а именно к двигателям, использующим энергию ветра для преобразования в механическую и электрическую энергию.The utility model relates to the field of wind energy, namely to engines that use wind energy to convert into mechanical and electrical energy.

Известна ветроэнергетическая установка ВЭУ-5000, содержащая секционную мачту, установленную на опоре с бетонным фундаментом, поворотную головку, расположенную на верхнем конце мачты, установленные на поворотной головке ветроколесо с тремя лопастями, электрический генератор, жестко связанный с ветроколесом, и штангу с флюгером, присоединенным к внешнему концу штанги (RU 104251 U1 [1]).A wind turbine VEU-5000 is known, comprising a section mast mounted on a support with a concrete foundation, a rotary head located on the upper end of the mast, mounted on a rotary head of a wind wheel with three blades, an electric generator rigidly connected to the wind wheel, and a rod with a weather vane attached to the outer end of the rod (RU 104251 U1 [1]).

К недостаткам такой конструкции относятся необходимость сооружения отдельной мачты с железобетонным фундаментом, при этом также необходимо устанавливать поворотную головку и штангу с флюгером, что существенно удорожает и усложняет конструкцию в целом. Кроме того, большие скорости движения концов лопастей создают акустическое загрязнение среды, а низкая аэродинамическая эффективность участков лопастей, расположенных вблизи оси вращения и необходимость ориентации оси вала по направлению ветра существенно снижают эффективность ее работы. Более того, следует отметить, что ветроколесо начинает эффективно работать только при скорости ветра больше 3 м/с. В целом, выше приведенные недостатки, сильно ограничивают область применения данной конструкции, поскольку ее приходиться устанавливать вдали от жилых помещений, из-за шума. В патенте US 5405246 [2] описана ветряная турбина с вертикальной осью, которая содержит две или более удлиненных лопастей, присоединенных к роторной мачте. Каждая лопасть "изогнута" таким образом, что нижняя точка ее прикрепления смещена под углом относительно верхней точки ее прикрепления. Каждая такая лопасть тангенциально сориентирована относительно локального радиуса, как это показано на фиг. 1а и 1b. Длина сечения каждой лопасти меньше посередине и больше у концов. Отношение между длиной сечения лопасти и толщиной лопасти является постоянным по всей длине каждой лопасти. Изогнутость данных лопастей помогает в некоторой степени выровнять крутящий момент, производимый турбиной во время ее вращения, поскольку какой-либо участок, по меньшей мере, одной лопасти будет постоянно находиться в положении пересечения воздушного потока The disadvantages of this design include the need to build a separate mast with a reinforced concrete foundation, while it is also necessary to install a swivel head and a rod with a weather vane, which significantly increases the cost and complicates the design as a whole. In addition, high speeds of movement of the ends of the blades create acoustic pollution of the medium, and the low aerodynamic efficiency of the sections of the blades located near the axis of rotation and the need to orient the axis of the shaft in the direction of the wind significantly reduce its efficiency. Moreover, it should be noted that the wind wheel starts to work efficiently only when the wind speed is more than 3 m / s. In general, the above disadvantages severely limit the scope of this design, since it has to be installed far from residential premises, due to noise. US 5,405,246 [2] describes a vertical axis wind turbine that comprises two or more elongated blades attached to a rotor mast. Each blade is “bent” so that the lower point of its attachment is offset at an angle relative to the upper point of its attachment. Each such blade is tangentially oriented with respect to the local radius, as shown in FIG. 1a and 1b. The section length of each blade is less in the middle and longer at the ends. The ratio between the blade section length and the blade thickness is constant over the entire length of each blade. The curvature of these blades helps to some extent equalize the torque produced by the turbine during its rotation, since any section of at least one of the blades will always be in the intersection of the air flow

и, таким образом, вся турбина никогда не будет полностью находиться в положении вращения по инерции.and thus the entire turbine will never be fully inertia.

Наиболее близким к заявляемому объекту по своей технической сущности является ветряная турбина с вертикальной осью содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество лопастей, механически присоединенных к этому валу. Каждая из лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку, хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, причем аэродинамическая поверхность, имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны с радиусом кривизны R' (RU 2322610 [3]).Closest to the claimed object in its technical essence is a wind turbine with a vertical axis containing a shaft rotating around a longitudinal axis, and many blades mechanically attached to this shaft. Each of the blades is an elongated body with upper and lower ends, and the upper and lower ends of each blade are rotationally offset from each other along the longitudinal axis so that each blade has the shape of a helical spiral, while the section of each blade perpendicular to the longitudinal axis is aerodynamic a surface having a leading edge, a tail edge, and a midline of the profile of the aerodynamic surface, the aerodynamic surface having an arcuate shape, so that the middle profile line is aerodynamic surface passes along a line of constant curvature with a radius of curvature R '(RU 2322610 [3]).

Недостатком данного технического решения является то, что лопасти имеют площадь поперечного сечения разную по высоте, в связи с чем, у такой лопасти уменьшается парусность, а это приводит к уменьшению крутящего момента и снижению эффективности использования ветрового потока приходящегося на единицу площади поперечного сечения ветряной турбины в целом. Кроме того с концов лопастей при данной конструкции ветряной турбины, потоки воздуха будут срываться и завихрятся, что приведет к увеличению шума при работе турбины, даже при невысокой скорости воздушного потока.The disadvantage of this technical solution is that the blades have a cross-sectional area of different heights, and therefore, such a blade decreases windage, and this leads to a decrease in torque and a decrease in the efficiency of using the wind flow per unit cross-sectional area of a wind turbine in whole. In addition, from the ends of the blades with this design of the wind turbine, the air flows will break off and swirl, which will lead to an increase in noise during the operation of the turbine, even at a low air flow rate.

Заявляемая полезная модель направлена на увеличение эффективности ветродвигателя, особенно при малых скоростях воздушного потока и уменьшение шума при работе.The inventive utility model is aimed at increasing the efficiency of a wind turbine, especially at low air flow rates and reducing noise during operation.

Указанный результат достигается тем, что ветродвигатель содержит вращающийся вал и прикрепленные к нему одну или несколько лопастей с аэродинамическими поверхностями в форме отрезков винтовой линии, при этом лопасти выполнены с таким шагом винтовой линии, что касательная к ней наклонена на угол 45° к оси вращения вала, а радиус кривизны аэродинамической поверхности и передней кромки лопасти связаны соотношениемThis result is achieved by the fact that the wind turbine contains a rotating shaft and one or more blades attached to it with aerodynamic surfaces in the form of segments of a helical line, while the blades are made with such a helical pitch that the tangent to it is inclined at an angle of 45 ° to the axis of rotation of the shaft and the radius of curvature of the aerodynamic surface and the leading edge of the blade are related by

Указанный результат достигается также тем, что лопасти выполнены из композитного материала.The specified result is also achieved by the fact that the blades are made of composite material.

Отличительной особенностью заявленного устройства является то, что лопасти выполнены с таким шагом винтовой линии, что касательная к ней наклонена на угол 45° к оси вращения вала, а радиус кривизны аэродинамической поверхности и передней кромки лопасти связаны приведенным выше соотношением.A distinctive feature of the claimed device is that the blades are made with such a pitch of the helix that the tangent to it is inclined at an angle of 45 ° to the axis of rotation of the shaft, and the radius of curvature of the aerodynamic surface and the leading edge of the blade are connected by the above ratio.

Проведенные эксперименты с моделями ветродвигателя, имеющего лопасти в форме отрезков винтовой линии с поперечным сечением лопастей в виде аэродинамических поверхностей с различным шагом винтовой линии показали, что существует оптимальный шаг, который обеспечивает достижение заявленного результата. Вторая серия опытов была направлена на подбор оптимальной геометрии профиля лопасти, который позволил бы достичь желаемого результата. Таким образом, было подобрано оптимальное соотношение размеров, отраженное в формуле полезной модели.The experiments with models of a wind turbine having blades in the form of segments of a helical line with a cross section of the blades in the form of aerodynamic surfaces with different pitch of the helix showed that there is an optimal step that ensures the achievement of the stated result. The second series of experiments was aimed at selecting the optimal geometry of the profile of the blade, which would allow to achieve the desired result. Thus, the optimal size ratio, reflected in the utility model formula, was selected.

Для изготовления лопасти может быть использован любой подходящий конструкционный материал. Наиболее целесообразно использовать композитные материалы, т.к. они обладают высокой удельной прочностью, что позволяет снизить вес двигателя, а следовательно и повысить его эффективность. При этом обнаружилось, что достигается и уменьшение шума при работе. Кроме того, композитные материалы легко формуются, что облегчает изготовление изделий сложной формы, к которым можно отнести лопасти предлагаемого ветродвигателя.For the manufacture of the blade, any suitable structural material may be used. It is most advisable to use composite materials, as they have high specific strength, which allows to reduce the weight of the engine, and therefore increase its efficiency. At the same time, it was found that noise reduction during operation was also achieved. In addition, composite materials are easily formed, which facilitates the manufacture of products of complex shape, which include the blades of the proposed wind turbine.

Сущность полезной модели поясняется примером реализации и чертежами.The essence of the utility model is illustrated by an example implementation and drawings.

На фиг. 1 представлено в аксонометрии изображение трехлопастного ветродвигателя. На фиг. 2 изображено поперечное сечение лопасти ветродвигателя. На фиг. 3 показан вид сверху на лопасти ветродвигателя. На фиг. 4 показана схематично геометрия винтовой линии, использованная при изготовлении лопастей (Винтовая линия, (далее - В.л), пространственная кривая, описываемая точкой М, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг неподвижной оси OO' и одновременно перемещается поступательно с постоянной скоростью вдоль этой оси. В.л. называют также цилиндрической В.л., так как она расположена на поверхности In FIG. 1 is a perspective view of a three-bladed wind turbine. In FIG. 2 shows a cross section of a wind turbine blade. In FIG. 3 shows a top view of the blades of a wind turbine. In FIG. 4 shows schematically the geometry of the helix used in the manufacture of the blades (Helix, (hereinafter - V.L), a spatial curve described by the point M, which rotates with a constant angular velocity around a fixed axis OO 'and simultaneously moves translationally with a constant speed along this axis.V.L.called also cylindrical V.L., since it is located on the surface

круглого цилиндра (фиг. 4). В.л. обладает важным свойством - ее можно перемещать по самой себе без изменения формы, что является основой для применения ее в технике для различного рода винтов. В.л. входит в класс линий откоса, характеризуемых тем, что касательная в любой точке М такой линии составляет постоянный угол с некоторой осью OO'. Примером линии откоса может служить также коническая В.л., расположенная на круглом конусе. Касательная в любой точке М этой линии составляет постоянный угол с осью конуса OO'.round cylinder (Fig. 4). V.L. It has an important property - it can be moved around by itself without changing the shape, which is the basis for its use in technology for various kinds of screws. V.L. belongs to the class of slope lines, characterized in that the tangent at any point M of such a line is a constant angle with some axis OO '. An example of a slope line is also a conical V.L. located on a round cone. The tangent at any point M of this line makes a constant angle with the axis of the cone OO '.

Ветродвигатель содержит вертикальный вал 1 к которому с помощью распорок 2 крепятся лопасти 3. Вал 1 закрепляется нижним концом в подшипниковом узле консольно (на чертеже не показано). Лопасть 3 имеет аэродинамический профиль, внутри нее расположены жесткие направляющие 4. При этом задняя наружная и задняя внутренняя кромки имеют закругления радиусом R, а поверхность передней кромки имеет закругление радиусом r.The wind turbine contains a vertical shaft 1 to which the blades 3 are attached using spacers 2. The shaft 1 is fixed to the bearing assembly by the lower end cantilever (not shown in the drawing). The blade 3 has an aerodynamic profile, inside it there are rigid guides 4. In this case, the rear outer and rear inner edges have roundings of radius R, and the surface of the leading edge has rounding of radius r.

Ветродвигатель работает следующим образом. При любом направлении и любой скорости ветра лопасти 3 ветродвигателя начинают раскручиваться самостоятельно. При этом при той конструкции лопастей, которая показана на приведенных рисунках вращение лопастей будет осуществляться вправо. Чтобы вращение происходило влево конструкцию лопастей при изготовлении необходимо зеркально изменить. Данная конструкция лопастей обеспечивает достаточно большую парусность, что позволяет даже при небольшой скорости ветра снимать с ветродвигателя достаточно большой крутящий момент. Более того данная конструкция не раскручивается сильно даже при коротких сильных порывах ветра, поскольку обладает достаточной инерционностью. При скорости ветра до 7 м/с практически отсутствует шум при работе, это связано с тем, что выбранная геометрия аэродинамической поверхности способствует течению воздушного потока по поверхности лопасти в ламинарном режиме. Кроме того, поскольку концы лопастей также имеют аэродинамическую поверхность, то и здесь потоки воздуха при сходе с концов лопастей не завихряются и поэтому тоже не шумят. Следует отметить, что данная конструкция ветродвигателя хорошо себя зарекомендовала при небольших скоростях ветра. Кроме того используя форму поверхности, образованную вращающимися лопастями, в виде винтовой линии увеличивается эффективность использования ветрового потока приходящегося на единицу площади поперечного сечения ветродвигателя. Если использовать форму поверхности, образованную вращающимися лопастями в виде конической винтовой линии с расширением книзу, то в таком случае при одинаковом The wind turbine operates as follows. With any direction and any wind speed, the blades 3 of the wind turbine begin to spin independently. Moreover, with the design of the blades, which is shown in the figures, the rotation of the blades will be carried out to the right. In order for the rotation to occur to the left, the design of the blades during manufacture must be mirrored. This design of the blades provides a sufficiently large windage, which allows even at a low wind speed to remove a sufficiently large torque from the wind turbine. Moreover, this design does not untwist much even with short strong gusts of wind, since it has sufficient inertia. At a wind speed of up to 7 m / s, there is practically no noise during operation, this is due to the fact that the selected geometry of the aerodynamic surface contributes to the flow of air flow over the surface of the blade in laminar mode. In addition, since the ends of the blades also have an aerodynamic surface, here too, the air flows at the descent from the ends of the blades do not swirl and therefore also do not make noise. It should be noted that this design of the wind turbine has proven itself at low wind speeds. In addition, using the surface shape formed by the rotating blades in the form of a helix increases the efficiency of using the wind flow per unit cross-sectional area of the wind turbine. If you use the surface shape formed by the rotating blades in the form of a conical helix with an extension downward, then in this case with the same

снимаемом моменте с вала ветродвигателя улучшаются условия работы подшипникового узла, поскольку ветродвигатель установлен консольно.the moment taken off the shaft of the wind turbine, the working conditions of the bearing assembly are improved, since the wind turbine is mounted cantilever.

Таким образом, предложенное техническое решение целесообразно использовать в регионах с преимущественно низкой скоростью ветра, а это, например, Западная Сибирь, где преимущественная скорость ветра 3÷5 м/с. Более того предлагаемую конструкцию рекомендуется устанавливать на крыше здания можно и жилого, в силу малошумности и отсутствия вибрации ветродвигателя. Все выше приведенное, позволяет в свою очередь удешевить и ускорить монтаж и эксплуатацию ветродвигателя, поскольку нет необходимости строить отдельную дорогостоящую мачту.Thus, the proposed technical solution is advisable to use in regions with a predominantly low wind speed, and this, for example, Western Siberia, where the preferred wind speed is 3 ÷ 5 m / s. Moreover, the proposed design is recommended to be installed on the roof of the building and residential, due to the low noise and lack of vibration of the wind turbine. All of the above allows, in turn, to reduce the cost and speed up the installation and operation of a wind turbine, since there is no need to build a separate expensive mast.

Claims

1. A wind turbine comprising a rotating shaft and one or more blades attached to it with aerodynamic surfaces in the form of segments of a helical line, characterized in that the blades are made with such a helical pitch that the tangent to it is inclined at an angle of 45 ° to the axis of rotation of the shaft, and the radius of curvature of the aerodynamic surface and the leading edge of the blade are related by

,

where R is the radius of curvature of the aerodynamic surface, m;

r is the radius of curvature of the leading edge of the blade, m

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the blades are made of composite material.