RU196302U1

RU196302U1 - Wind wheel rotor

Info

Publication number: RU196302U1
Application number: RU2019142995U
Authority: RU
Inventors: Денис Даутказыевич Закиев; Никита Денисович Закиев; Илья Денисович Закиев
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-02-25

Abstract

Полезная модель относится к области ветроэнергетики.Ротор ветроколеса содержит вертикальную ось вращения, лопасти, верхний и нижний торцевые диски. Ротор содержит средний торцевой диск и разделен на две части. Лопасти ротора закреплены между верхним, нижним и средним торцевыми дисками. В каждой из частей ротора лопасти в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеют параболическую форму, установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены вовнутрь лопасти, при этом лопасти одной части смещены по оси вращения относительного другой части на угол 90°. Боковые стенки лопастей нижней части отклонены в направлении от нижнего торцевого диска к среднему торцевому диску, а боковые стенки лопастей верхней части в направлении от верхнего торцевого диска к среднему торцевому диску. Полезная модель направлена на улучшение условий самозапуска ветроколеса и уменьшение циклической неравномерности при его работе.The utility model relates to the field of wind energy. The rotor of the wind wheel contains a vertical axis of rotation, blades, upper and lower end disks. The rotor contains a middle end disk and is divided into two parts. The rotor blades are fixed between the upper, lower and middle end disks. In each of the parts of the rotor, the blades in the section perpendicular to the axis of rotation are parabolic in shape, are installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges are turned towards the incoming flow and the outer side walls are deflected inward of the blade, while the blades of one part are shifted along the axis of rotation of the relative other part at an angle of 90 °. The side walls of the blades of the lower part are deflected in the direction from the lower end disk to the middle end disk, and the side walls of the blades of the upper part are in the direction from the upper end disk to the middle end disk. The utility model is aimed at improving the conditions for self-start of the wind wheel and reducing cyclic unevenness during its operation.

Description

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветродвигателях с вертикальной осью вращения для преобразования энергии, получаемой из регенеративных источников.The utility model relates to the field of wind energy and can be used in wind turbines with a vertical axis of rotation to convert energy received from regenerative sources.

Известен ротор ветроколеса (RU № 192838, МПК F03D3/06 от 2019.06.19) содержащий вертикальную ось вращения и лопасти, закрепленные между верхним и нижним торцевыми дисками, лопасти, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнены в видеKnown rotor of a wind wheel (RU No. 192838, IPC F03D3 / 06 from 2019.06.19) containing a vertical axis of rotation and blades mounted between the upper and lower end disks, the blades, in a section perpendicular to the axis of rotation of the rotor, are made in the form

цилиндрической поверхности второго порядка, образующей которой является парабола, при этом лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены вовнутрь лопасти по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску.the second-order cylindrical surface, which is a parabola, with the blades installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges are turned towards the incoming flow, and the outer side walls are turned inwardly of the blade in the direction from the lower end disk to the upper end disk.

Недостатком приведенного выше ротора ветроколеса, взятого за прототип, является наличие «мертвой зоны», когда крутящий момент равен нулю, т.к. лопасти не вращаются из-за возникающего равновесия действующих на них сил, вследствие тождественности коэффициентов сопротивления их боковых сторон. В противоположность «мертвой зоне» в роторе ветроколеса есть положение, соответствующее максимальному крутящему моменту, который возникает при повороте ротора на угол 90° относительно «мертвой зоны». Наличие двух положений с нулевым и максимальным крутящим моментом приводит к тому, что за один оборот вал ветроколеса испытывает два цикла, в которых нагрузка с максимальных значений падает до нулевых и с нулевых вновь возрастает до максимальных. Такая цикличность усугубляется наличием колебаний, присущим скорости ветра (v), приводящим к тому, что перегрузка в работе ветроколеса сверх номинальной мощности может наблюдаться даже при средних скоростях воздушного потока (vср), меньших расчетной скорости (vр).The disadvantage of the above rotor of the wind wheel, taken as a prototype, is the presence of a "dead zone" when the torque is zero, because the blades do not rotate due to the emerging equilibrium of the forces acting on them, due to the identity of the resistance coefficients of their lateral sides. In contrast to the "dead zone" in the rotor of the wind wheel there is a position corresponding to the maximum torque that occurs when the rotor rotates through an angle of 90 ° relative to the "dead zone". The presence of two positions with zero and maximum torque leads to the fact that for one revolution the wind wheel shaft experiences two cycles in which the load from maximum values drops to zero and from zero again increases to maximum. This cyclicity is exacerbated by the presence of fluctuations inherent in the wind speed (v), which leads to the fact that overload in the operation of the wind wheel in excess of the rated power can be observed even at average air flow velocities (vav) lower than the calculated speed (vр).

Наиболее вероятные микропульсации скорости ветра могут быть оценены приближенной формулой v – vср = ±0,3vср. Отсюда следует, что перегрузки в работе ветроколеса могут возникать при средних скоростях воздушного потока vср ≥ (vр/1,3). Величина ожидаемых перегрузок при vср = vр будет доходить до 60-70%. В тех же случаях, когда vср > vр возможны еще большие перегрузки… (стр.194 [1]).The most probable micropulsations of the wind speed can be estimated by the approximate formula v - vav = ± 0.3vav. It follows that overloads in the operation of a wind wheel can occur at average air flow velocities vav ≥ (vr / 1.3). The value of the expected overloads with vav = vr will reach 60-70%. In the same cases when vср> vр even greater overloads are possible ... (p. 194 [1]).

Таким образом, колебания скорости ветра, накладываясь на конструктивные недостатки ротора ветроколеса прототипа, могут стать причиной существенного увеличения степени циклической неравномерности вращения ротора ветроколеса и соответственно пульсаций при его вращении, что в свою очередь приведет еще к большим значениям пульсаций крутящего момента и мощности. Скачки величины крутящего момента, передаваясь на вал, способны негативно сказываться на дальнейшем процессе преобразования механической энергии в электрическую, ухудшая качество преобразования и сокращая срок службы рабочих единиц оборудования.Thus, fluctuations in wind speed, superimposed on the design flaws of the prototype wind wheel rotor, can cause a significant increase in the degree of cyclic unevenness of the rotation of the wind wheel rotor and, accordingly, pulsations during its rotation, which in turn will lead to even greater values of torque and power pulsations. The jumps in the magnitude of the torque transmitted to the shaft are capable of negatively affecting the further process of converting mechanical energy into electrical energy, worsening the quality of conversion and shortening the service life of working units of equipment.

Цель полезной модели – улучшение условий самозапуска ветроколеса и уменьшение циклической неравномерности при его работе.The purpose of the utility model is to improve the conditions for self-starting of the wind wheel and to reduce cyclic unevenness during its operation.

Техническим результатом полезной модели является изменение степени распределения ветровой нагрузки на ветроколесо по вертикали путем дифференциации лопастей ротора с сохранением их геометрических параметров с их симметричным угловым смещением по окружности в горизонтальной плоскости.The technical result of the utility model is to change the degree of distribution of the wind load on the wind wheel vertically by differentiating the rotor blades while maintaining their geometric parameters with their symmetrical angular displacement around the circumference in the horizontal plane.

Технический результат достигается за счет того, что ротор ветроколеса, содержащий вертикальную ось вращения, лопасти, верхний и нижний торцевые диски, отличающийся тем, что ротор содержит средний торцевой диск и разделен на две части, лопасти ротора закреплены между верхним, нижним и средним торцевыми дисками, при этом в каждой из частей ротора лопасти в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеют параболическую форму, установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены вовнутрь лопасти, при этом лопасти одной части смещены по оси вращения относительного другой части на угол 90°, причем боковые стенки лопастей нижней части отклонены в направлении от нижнего торцевого диска к среднему торцевому диску, а боковые стенки лопастей верхней части в направлении от верхнего торцевого диска к среднему торцевому диску.The technical result is achieved due to the fact that the rotor of the wind wheel containing a vertical axis of rotation, blades, upper and lower end disks, characterized in that the rotor contains a middle end disk and is divided into two parts, the rotor blades are fixed between the upper, lower and middle end disks in this case, in each of the parts of the rotor, the blades in a section perpendicular to the axis of rotation are parabolic in shape, are installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges are turned However, the incident flow and the outer side walls of the blades are deflected inward, while the blades of one part are offset along the axis of rotation of the relative other part by an angle of 90 °, with the side walls of the blades of the lower part being deflected in the direction from the lower end disk to the middle end disk, and the side walls of the blades the upper part in the direction from the upper end disk to the middle end disk.

На Фиг.1 изображен ротор ветроколеса, общий вид. На Фиг.2 изображен вид спереди. На Фиг.3 вид сверху (верхний и средний торцевые диски не отображены).Figure 1 shows the rotor of the wind wheel, a General view. Figure 2 shows a front view. Figure 3 is a top view (upper and middle end disks are not displayed).

Ротор содержит вертикальную ось вращения 1, нижний 2, средний 3 и верхний 4 торцевые диски, между которыми закреплены лопасти 5, 6 нижнего и 7, 8 верхнего роторов. Нижний и верхний роторы расположены поярусно, при этом лопасти одного ротора смещены по оси вращения 1 относительно другого на угол 90°.The rotor contains a vertical axis of rotation 1, lower 2, middle 3 and upper 4 end disks, between which the blades 5, 6 of the lower and 7, 8 of the upper rotors are fixed. The lower and upper rotors are located in tiers, while the blades of one rotor are offset along the axis of rotation 1 relative to the other by an angle of 90 °.

Ротор работает следующим образом.The rotor operates as follows.

Разделение ротора ветроколеса на две равные части, и их последующее симметричное угловое смещение приводит и к разделению ветровой нагрузки действующей на ветроколесо по вертикали, при этом суммарная составляющая ветровой нагрузки остается неизменной. Набегающий на ветроколесо поток с плавной поочередностью воздействует на каждый из роторов. Помимо отсутствия «мертвой зоны», при таком цикле работы, в предлагаемом роторе ветроколеса значительно уменьшается неравномерность (пульсации) вращения, т.к. сразу же после постепенного начала выхода одного из роторов из положения максимального крутящего момента в зону воздействия ветрового потока постепенно начинает входить второй ротор, достигая положения, соответствующего максимальному значению крутящего момента, после чего цикл повторяется. Поток, попадая вовнутрь одного из роторов в начале своего вхождения вовнутрь одной из лопастей, вогнутой стороной обращенной навстречу к потоку, за счет того, что лопасти своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему воздушному потоку, испытывает локальное сжатие и, как следствие, последующее ускорение и, скользя по внутренней части лопасти, отдавая ей часть своей энергии, через межосевой зазор попадает во внутреннюю часть противолежащей лопасти, уменьшая разность давлений между наветренной и заветренной частями ротора. Торцевые диски, один из которых установлен по центру ротора, между лопастями, а два других, расположенных сверху и снизу ротора, ограничивают движение потока внутри ротора, задавая траекторию движения, уменьшая при этом степень нежелательного перетекания воздушного потока из зон повышенного давления к зонам с пониженным давлением образующихся на торцах лопастей, приводящих, в случае отсутствия торцевых дисков, к образованиям концевых вихрей, с последующим ухудшением рабочих характеристик ротора ветроколеса.The separation of the rotor of the wind wheel into two equal parts, and their subsequent symmetric angular displacement, also leads to the separation of the wind load acting on the wind wheel vertically, while the total component of the wind load remains unchanged. The flow on the windwheel with a smooth alternating effect on each of the rotors. In addition to the lack of a “dead zone", with such a cycle of operation, the unevenness (pulsation) of rotation in the proposed rotor of the wind wheel is significantly reduced. immediately after the gradual start of the exit of one of the rotors from the maximum torque position, the second rotor gradually begins to enter the zone of influence of the wind flow, reaching the position corresponding to the maximum value of the torque, after which the cycle repeats. The flow, getting inside one of the rotors at the beginning of its entry inside one of the blades, with the concave side facing towards the flow, due to the fact that the blades are turned with their outer edges towards the incoming air flow, experiences local compression and, as a result, subsequent acceleration and, sliding along the inner part of the blade, giving it a part of its energy, through the interaxal gap it enters the inner part of the opposite blade, reducing the pressure difference between the windward and windward parts of the rotor. End disks, one of which is installed in the center of the rotor, between the blades, and the other two, located above and below the rotor, restrict the flow inside the rotor, setting the trajectory of motion, while reducing the degree of undesired flow of air from areas of high pressure to areas with low the pressure of the blades formed at the ends, leading, in the absence of end disks, to the formation of end vortices, followed by a deterioration in the performance of the wind wheel rotor.

Отклонение наружных боковых стенок лопастей нижнего ротора от нижнего торцевого диска к среднему торцевому диску и верхнего ротора от верхнего торцевого диска к среднему торцевому диску, уменьшает долю профильных потерь ротора.Deviation of the outer side walls of the blades of the lower rotor from the lower end disk to the middle end disk and the upper rotor from the upper end disk to the middle end disk reduces the share of profile rotor losses.

ЛитератураLiterature

1. Ветроэлектрические станции Текст. / В. Н. Андрианов, Д. Н.1. Wind power stations Text. / V.N. Andrianov, D.N.

Быстрицкий, К. П. Вашкевич, В. Р. Секторов Ветроэлектрические станции. -Л.: Госэнергоиздат, 1960. 319 с.Bystritsky, K.P. Vashkevich, V.R. Sectors Wind power stations. -L .: Gosenergoizdat, 1960.319 s.

Claims

A wind wheel rotor containing a vertical axis of rotation, blades, upper and lower end disks, characterized in that the rotor contains a middle end disk and is divided into two parts, the rotor blades are fixed between the upper, lower and middle end disks, while in each of the rotor parts the blades in the cross section perpendicular to the axis of rotation have a parabolic shape, are installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges are turned towards the incoming flow and the outer side wall and the blades are deflected inward, while the blades of one part are offset along the axis of rotation of the relative other part by an angle of 90 °, the side walls of the blades of the lower part being deflected in the direction from the lower end disk to the middle end disk, and the side walls of the blades of the upper part in the direction from the upper end disk to the middle end disk.