RU200761U1

RU200761U1 - DEVICE FOR CONVERSION OF KINETIC ENERGY OF THE WIND INTO MECHANICAL ENERGY USING GUIDING ELEMENTS AND STRUCTURES OF DIRECTOR AND REFLEX TYPES

Info

Publication number: RU200761U1
Application number: RU2020105781U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Костюков; Михаил Юрьевич Медведев; Андрей Михайлович Маевский; Дмитрий Дмитриевич Павленко; Николай Константинович Полуянович; Василий Владимирович Савченко
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-11-11

Abstract

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения с возможностью последующего преобразования в электрическую энергию. Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию включает вал ротора и лопасти ротора внутри раструба, опоры, узел соединения опор с валом ротора, нижнюю направляющую структуру, электрогенератор. Узел соединения с валом ротора выполнен с возможностью осуществления валом осевого вращения. Нижняя направляющая структура выполнена в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметричной с ротором. Ротор имеет в своем составе директорный направляющий элемент, выполненный в виде объемной конусообразной фигуры с переменной кривизной. Директорный направляющий элемент расположен в верхней части ротора, является его продолжением и вращается вместе с ним. Лопасти ротора закреплены на валу с помощью соединительных дисков. Отсутствие раструба у заявляемой установки второго типа является причиной значительного снижения степени шума. Технический результат - значительное повышение полезной механической мощности устройства при незначительном изменении конструкции. 2 ил.The utility model relates to devices that convert the kinetic energy of the wind flow into mechanical energy of rotation with the possibility of subsequent conversion into electrical energy. The device for converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy includes a rotor shaft and rotor blades inside the bell, supports, a node for connecting supports to the rotor shaft, a lower guide structure, an electric generator. The connection unit with the rotor shaft is made with the possibility of axial rotation by the shaft. The lower guiding structure is made in the form of a convex figure of rotation, axisymmetric with the rotor. The rotor includes a director guiding element made in the form of a volumetric cone-shaped figure with variable curvature. The directorial guide element is located in the upper part of the rotor, is its continuation and rotates with it. The rotor blades are fixed to the shaft by means of connecting discs. The absence of a bell in the claimed installation of the second type is the reason for a significant reduction in the noise level. The technical result is a significant increase in the useful mechanical power of the device with a slight design change. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения с возможностью последующего преобразования в электрическую энергию. Устройство может найти применение в качестве источника энергии для снабжения частных потребителей, находящихся в труднодоступных местах объектов инфраструктуры, резервного источника электроснабжения силовых структур. Также возможно применение устройства для резервного энергоснабжения морских стационарных и мобильных систем, например, нефтедобывающих платформ, кораблей малого водоизмещения.The utility model relates to devices that convert the kinetic energy of the wind flow into mechanical energy of rotation with the possibility of subsequent conversion into electrical energy. The device can be used as an energy source for supplying private consumers, infrastructure facilities located in hard-to-reach places, a backup source of power supply for power structures. It is also possible to use the device for backup power supply of offshore stationary and mobile systems, for example, oil-producing platforms, small-displacement ships.

Известны ветропреобразующие устройства, например, ветряные мельницы и на их основе лопастные современные ветроэлектростанции (А. Соловьев, Наука и жизнь, №7, 2013 г. с. 42-47).Known wind-converting devices, for example, windmills and, based on them, blade modern wind power plants (A. Soloviev, Science and Life, No. 7, 2013, pp. 42-47).

Известно устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию, содержащее установленный на опорах вертикальный канал, в котором расположен ротор, выполненный в виде вала с закрепленными на нем лопастями, и вертикальный канал, выполненный в виде сужающегося вверх усеченного конуса, или переходящего в усеченный конус цилиндра, при этом ротор расположен так, что лопасти частично выступают из нижней части вертикального канала, а высота опор определена возможностью прохождения воздуха для обдува выступающей части лопастей (Евразийский патент №028018 от 29.09.2017 г.), где вертикальный канал рефлекторного типа - раструб - служит для формирования устойчивой вихревой структуры в верхней части ротора. Раструб по форме представляет собой объемную фигуру вращения.A device is known for converting the kinetic energy of a wind flow into mechanical energy, containing a vertical channel mounted on supports, in which a rotor is located, made in the form of a shaft with blades fixed on it, and a vertical channel made in the form of an upwardly tapering truncated cone, or turning into a truncated the cone of the cylinder, while the rotor is located so that the blades partially protrude from the lower part of the vertical channel, and the height of the supports is determined by the possibility of air passage for blowing the protruding part of the blades (Eurasian patent No. 028018 dated 09.29.2017), where the vertical channel of the reflex type is bell - serves to form a stable vortex structure in the upper part of the rotor. The shape of the bell is a three-dimensional figure of rotation.

Известно устройство, которое более эффективно по сравнению с аналогами позволяет преобразовывать кинетическую энергию ветра в механическую энергию (Патент на полезную модель «Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию с использованием нижней направляющей структуры» / Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский A.M., Полуянович Н.К., Савченко В.В., от 11.08.2016 г., №175397).A device is known that is more efficient in comparison with analogs allows you to convert kinetic wind energy into mechanical energy (Patent for utility model "Device for converting kinetic wind energy into mechanical energy using a lower guide structure" / Kostyukov VA, Medvedev M.Yu. , Mayevsky AM, Poluyanovich N.K., Savchenko V.V., dated 11.08.2016, No. 175397).

Принцип работы данного устройства во многом сходен с соответствующим принципом аналога и заключается в том, что над вращающимся внутри раструба ветроколесом возникает вихревая структура, которая так взаимодействует с этим ветроколесом, что происходит значительное - на несколько десятков процентов - усиление крутящего аэродинамического момента, действующего на ротор, по сравнению со случаем одиночного ветро-колеса. Указанному положительному эффекту способствует специальная форма ротора, эффективно воспринимающая как горизонтальные, так и вертикальные восходящие потоки, возникающие вследствие перепада давлений между верхней и нижней кромками раструба. Однако в этом устройстве, по сравнению с аналогом из указанного выше патента, введена дополнительная статическая структура в нижней части установки - нижняя направляющая структура, позволяющая фокусировать набегающий поток ветра с гораздо большей площади сечения, перпендикулярного невозмущенному ветровому потоку, чем для аналога. Введение нижней направляющей структуры позволяет на двадцать - тридцать процентов повысить крутящий момент устройства, по сравнению с аналогом. Это устройство есть прототип для настоящей заявки.The principle of operation of this device is in many respects similar to the corresponding principle of the analogue and consists in the fact that a vortex structure appears above the wind wheel rotating inside the bell, which interacts with this wind wheel in such a way that a significant - by several tens of percent - increase in the torque aerodynamic moment acting on the rotor , in comparison with the case of a single wind wheel. This positive effect is facilitated by the special shape of the rotor, which effectively perceives both horizontal and vertical ascending flows arising from the pressure difference between the upper and lower edges of the bell. However, in this device, in comparison with the analogue from the above patent, an additional static structure is introduced in the lower part of the installation - the lower guiding structure, which allows focusing the oncoming wind flow from a much larger sectional area perpendicular to the undisturbed wind flow than for the analogue. The introduction of the lower guide structure makes it possible to increase the torque of the device by twenty to thirty percent in comparison with the analogue. This device is a prototype for the present application.

Существенные признаки прототипа, совпадающие с соответствующими признаками полезной модели, описаны в следующем абзаце.The essential features of the prototype, which coincide with the corresponding features of the utility model, are described in the next paragraph.

Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, включающее вал ротора и лопасти ротора внутри раструба, опоры и узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение, нижнюю направляющую структуру, которая выполнена в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметричной с ротором, электрогенератор.A device for converting kinetic wind energy into mechanical energy, including the rotor shaft and rotor blades inside the bell, supports and a unit for connecting the supports to the rotor shaft, made with the ability to perform axial rotation of the shaft, the lower guide structure, which is made in the form of a convex figure of rotation, axisymmetric with the rotor , electric generator.

Недостатком устройства прототипа является возникновение на верхней кольцевой кромке согласующего раструба, в котором находится ветроколесо, значительного срыва воздушного потока, что приводит к образованию паразитных вихревых структур. Эти паразитные структуры значительно уменьшают эффективность взаимодействия указанной выше основной вихревой структуры с ротором и тем самым существенно снижают его крутящий аэродинамический момент.The disadvantage of the prototype device is the appearance on the upper annular edge of the matching bell, in which the wind wheel is located, a significant disruption of the air flow, which leads to the formation of parasitic vortex structures. These parasitic structures significantly reduce the efficiency of interaction of the above basic vortex structure with the rotor and thereby significantly reduce its aerodynamic torque.

Техническим результатом полезной модели является значительное повышение полезной механической мощности устройства при незначительном изменении конструкции.The technical result of the utility model is a significant increase in the useful mechanical power of the device with a slight design change.

Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство, содержащее вал ротора и лопасти ротора внутри раструба, опоры и узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение, нижнюю направляющую структуру, которая выполнена в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметричной с ротором, электрогенератор, при этом ротор имеет в своем составе директорный направляющий элемент, выполненный в виде объемной конусообразной фигуры с переменной кривизной, директорный направляющий элемент расположен в верхней части ротора, является его продолжением и вращается вместе с ним, лопасти ротора закреплены на валу с помощью соединительных дисков.The technical result is achieved by the fact that the inventive device containing the rotor shaft and rotor blades inside the bell, supports and a unit for connecting the supports with the rotor shaft, made with the ability to perform axial rotation of the shaft, the lower guide structure, which is made in the form of a convex figure of rotation, axisymmetric with the rotor , an electric generator, while the rotor includes a director guiding element made in the form of a volumetric cone-shaped figure with variable curvature, the director guiding element is located in the upper part of the rotor, is its continuation and rotates with it, the rotor blades are fixed on the shaft by means of connecting disks.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, где 1 - директорный направляющий элемент; 2 - лопасти ротора; 3 - соединительные диски для крепления лопастей; 4 - вал ротора; 5 - нижняя направляющая структура; 6 -раструб; 7 - электрогенератор; 8 - узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение.FIG. 1 shows a general view of the device, where 1 is a director guiding element; 2 - rotor blades; 3 - connecting discs for attaching the blades; 4 - rotor shaft; 5 - lower guiding structure; 6 - socket; 7 - electric generator; 8 - unit for connecting the supports to the rotor shaft, made with the ability to perform axial rotation of the shaft.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При обдуве ветровым потоком выступа лопастей 2 ротора на них начинает действовать аэродинамический крутящий момент, который передается с помощью соединительных дисков 3 на вал 4 ротора, инициируя его вращение. Нижняя направляющая структура 5 способствует эффективному использованию набегающего ветрового потока с достаточно большой площади сечения, перпендикулярного вектору скорости невозмущенного движения. Ротор при своем вращении формирует в верхней своей части вихревую структуру. Последнюю порождают потоки, отбрасываемые лопастями, которые выполняют работу по торможению или перенаправлению набегающего потока. В свою очередь, образовавшаяся вихревая структура начинает формировать значительный перепад давлений между верхней и нижней частями ротора за счет наличия директорного направляющего элемента 1. А именно, указанный элемент формирует достаточно большие вертикальные скорости восхождения и угловые скорости вращения частиц вихревой структуры, причем так, что эффективный радиус вихря на вертикальном уровне кромки раструба становится несколько меньше размеров раструба на этом уровне, что значительно уменьшает влияние на основной вихрь паразитных вихреобразований вследствие срыва потока на кромке раструба. Директорный образующий элемент 1 близок по форме к конусу, с вершиной, направленной вверх, однако имеет несколько изогнутые в меридиональных плоскостях образующие, профиль которых подобран из условия минимизации срыва потока на указанной вершине.When the wind blows the projection of the rotor blades 2, aerodynamic torque begins to act on them, which is transmitted by means of the connecting discs 3 to the rotor shaft 4, initiating its rotation. The lower guiding structure 5 promotes the efficient use of the oncoming wind flow with a sufficiently large cross-sectional area perpendicular to the velocity vector of the undisturbed motion. The rotor, during its rotation, forms a vortex structure in its upper part. The latter is generated by flows thrown by the blades, which perform the work of braking or redirecting the incoming flow. In turn, the resulting vortex structure begins to form a significant pressure difference between the upper and lower parts of the rotor due to the presence of the director guiding element 1. Namely, this element forms sufficiently large vertical ascent velocities and angular velocities of rotation of the vortex structure particles, and so that the effective the radius of the vortex at the vertical level of the flare edge becomes somewhat less than the size of the flare at this level, which significantly reduces the influence of parasitic vortices on the main vortex due to flow disruption at the flare edge. The director generating element 1 is close in shape to a cone, with the apex directed upwards, however, it has generators somewhat bent in the meridional planes, the profile of which is selected from the condition of minimizing the flow stall at the specified vertex.

Во-вторых, непосредственно над верхней частью раструба скорость практически равна скорости невозмущенного потока и поэтому значительно больше, чем скорость останавливаемого ротором потока под нижней частью раструба. Комплексное действие этих двух факторов приводит, согласно закону Бернулли, к возникновению перепада давлений: в малой окрестности ротора над ним давление становится значительно меньше, чем давление непосредственно под ротором, что приводит к возникновению вертикальных восходящих потоков. Эти потоки усиливают вихревую структуру, способствуют сохранению ее устойчивости и тем самым увеличивают ее воздействие на ротор. Последнее способствует значительному повышению крутящего момента на валу 4 ротора и, электрической мощности электрогенератора 7, либо выходной мощности любого другого устройства нагрузки.Secondly, directly above the top of the bell, the speed is practically equal to the unperturbed flow rate and therefore is much higher than the speed of the flow stopped by the rotor below the bottom of the bell. The combined action of these two factors leads, according to Bernoulli's law, to the occurrence of a pressure difference: in a small vicinity of the rotor above it, the pressure becomes much less than the pressure directly under the rotor, which leads to the appearance of vertical ascending flows. These flows strengthen the vortex structure, help maintain its stability and thereby increase its effect on the rotor. The latter contributes to a significant increase in the torque on the rotor shaft 4 and, the electrical power of the generator 7, or the output power of any other load device.

Уменьшение взаимодействия основной вихревой структуры с побочными вихрями, формирующимися вследствие срыва потока на верхней кромке раструба, является причиной уменьшения степени шума заявляемой установки.A decrease in the interaction of the main vortex structure with side vortices formed as a result of flow disruption at the upper edge of the bell is the reason for the decrease in the noise level of the claimed installation.

Форма директорного направляющего элемента выполнена с возможностью обеспечения его аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.The shape of the director guiding element is made with the possibility of ensuring its aerodynamic interference with the rest of the static structural elements of the installation and with the rotor, which contributes to an increase in the mechanical power on the rotor shaft.

Форма нижней направляющей структуры директорного типа выполнена с возможностью обеспечения ее аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.The shape of the lower guide structure of the director type is made with the possibility of ensuring its aerodynamic interference with the rest of the static structural elements of the installation and with the rotor, which contributes to an increase in the mechanical power on the rotor shaft.

Форма направляющей структуры рефлекторного типа (раструба) выполнена с возможностью обеспечения ее аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.The shape of the reflex-type guide structure (bell) is made with the possibility of ensuring its aerodynamic interference with the rest of the static structural elements of the installation and with the rotor, which contributes to an increase in the mechanical power on the rotor shaft.

Форма ротора выполнена с возможностью обеспечения его аэродинамической интерференции со статическими элементами конструкции установки, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.The rotor shape is made with the possibility of ensuring its aerodynamic interference with the static structural elements of the installation, which contributes to an increase in the mechanical power on the rotor shaft.

Выбор формы и размера директорного направляющего элемента ротора и его компоновки со статической частью конструкции, полученных в результате применения процедуры аэродинамической оптимизации, позволяет заявляемому устройству получить крутящий момент на роторе, который превосходит соответствующий момент прототипа, при прочих равных условиях, минимум, на пятнадцать-двадцать процентов.The choice of the shape and size of the director guiding element of the rotor and its arrangement with the static part of the structure, obtained as a result of the application of the aerodynamic optimization procedure, allows the claimed device to obtain a torque on the rotor that exceeds the corresponding moment of the prototype, all other things being equal, by at least fifteen to twenty percent.

Таким образом, в заявляемом устройстве для формирования вихревых структур использованы рефлекторная направляющая структура (раструб), в которую заглублен вращающийся ротор, совместно с директорным направляющим элементом, который является продолжением ротора и вращается вместе с ним. При такой комбинированной компоновке заявляемого устройства возникает возможность получения крутящего момента, большего, чем в случаях установок, где используются только одна из указанных составляющих. Для реализации такой возможности проведена аэродинамическая оптимизация обводов основных конструктивных элементов такой установки.Thus, in the claimed device for the formation of vortex structures, a reflex guiding structure (bell) is used, into which a rotating rotor is buried, together with a director guiding element, which is a continuation of the rotor and rotates with it. With such a combined arrangement of the claimed device, it becomes possible to obtain a torque greater than in the cases of installations where only one of these components is used. To realize this possibility, aerodynamic optimization of the contours of the main structural elements of such an installation was carried out.

Claims

A device for converting kinetic wind energy into mechanical energy, including the rotor shaft and rotor blades inside the bell, supports and a unit for connecting the supports to the rotor shaft, made with the ability to perform axial rotation of the shaft, the lower guide structure, which is made in the form of a convex figure of rotation, axisymmetric with the rotor an electric generator, characterized in that the rotor includes a director guiding element made in the form of a volumetric cone-shaped figure with variable curvature, while the director guiding element is located in the upper part of the rotor, is its continuation and rotates with it, and the rotor blades are fixed on shaft using coupling discs.