RU2044920C1

RU2044920C1 - Wind motor

Info

Publication number: RU2044920C1
Application number: RU93025167A
Authority: RU
Inventors: Кирил Петрович Благовещенский
Original assignee: Кирил Петрович Благовещенский
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1993-05-05
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: motor has vertical power take-off shaft and additional axle with central gear and intermediate gears kinematically coupled with the central gear. The shaft is hollow. The support is made up as vertical stand. The shaft is set in bearings on the outer side of the stand. Fixed axles are secured to the top traverse. The intermediate gears are mounted on the fixed axles. Each of the gears engages the central gear and respective driven gear. One end of the additional axle is secured to the central gear and flag. The other end is set on the support in bearings. EFFECT: enhanced efficiency and reliability. 9 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ветродвигателям с вертикальной осью вращения и может использоваться для привода различных механизмов, предпочтительно электрогенераторов. The invention relates to wind turbines with a vertical axis of rotation and can be used to drive various mechanisms, preferably electric generators.

Известные лопастные ветродвигатели карусельного типа с вертикальной осью вращения с программным диском поворота лопастей [1] с зубчато-ременным или зубчато-цепным механизмом, а также зубчато-карданным механизмом поворота лопастей для оптимизации углов их атаки [2] сложны конструктивно, недостаточно надежны при длительной работе и не обеспечивают достаточно полное использование энергии ветрового потока в силу значительных дестабилизирующих силовых нагрузок в механизмах поворота лопастей, препятствующих их оптимальной регулировке на оптимальный угол атаки. Known rotary-bladed wind turbines with a vertical axis of rotation with a program disk for turning the blades [1] with a toothed-belt or gear-chain mechanism, as well as a toothed-cardan mechanism for turning the blades to optimize the angles of attack [2] are structurally complex, not reliable enough for a long work and do not provide enough full use of the energy of the wind flow due to significant destabilizing power loads in the rotation mechanisms of the blades that impede their optimal adjustment to ptimalny angle of attack.

Наиболее близким по технической сущности является ветродвигатель, содержащий опору, вал отбора мощности с верхней и нижней траверсами в виде радиальных спиц, через которые пропущены поворотные оси, имеющие лопасти и ведомые шестерни, связанные ременной передачей с центральными шестерными, посаженными на втулку, связанную с флюгером [3]
Однако, ввиду наличия зубчато-ременной передачи и значительных нагрузок веса на втулку центральных шестерен ветродвигатель имеет недостаточную надежность и значительные потери мощности из-за невозможности точной регулировки угла атаки лопастей на оптимальное значение. Неоптимальное число лопастей и выполнение траверс в виде радиальных спиц приводят к дополнительным потерями мощности. Конструкция весьма усложнена и металлоемка.The closest in technical essence is a wind turbine containing a support, a power take-off shaft with upper and lower traverses in the form of radial spokes, through which pivot axles, having blades and driven gears, are connected by a belt drive with central gears mounted on a sleeve connected with a weather vane [3]
However, due to the presence of a gear-belt drive and significant weight loads on the hub of the central gears, the wind turbine has insufficient reliability and significant power losses due to the inability to accurately adjust the angle of attack of the blades to the optimal value. The suboptimal number of blades and the execution of traverses in the form of radial spokes lead to additional power losses. The design is very complicated and metal-consuming.

Цель изобретения повышение надежности работы и снижение потери мощности при одновременном упрощении конструкции ветродвигателя. The purpose of the invention is to increase reliability and reduce power loss while simplifying the design of the wind turbine.

Цель достигается за счет того, что ветродвигатель, содержащий опору, установленный на опоре вертикальный вал отбора мощности с центральной шестерней, соединенные с валом верхнюю и нижнюю траверсы, шарнирно установленные в траверсах вертикальные оси с закрепленными на них лопастями и ведомыми шестернями, кинематически связанными с центральной шестерней, и флюгер, снабжен дополнительной осью и промежуточными шестернями, вал отбора мощности выполнен полым, опора в виде вертикальной стойки, на наружной поверхности которой посредством подшипников установлен вал отбора мощности, на верхней траверсе закреплены неподвижные оси с установленными на них промежуточными шестернями, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней и соответствующей ведомой шестерней, при этом один конец дополнительной оси скреплен с центральной шестерней и флюгером, а другой конец посредством подшипников установлен в опоре, все шестерни размещены в одной горизонтальной плоскости над верхней траверсой. The goal is achieved due to the fact that a wind turbine containing a support, a vertical power take-off shaft mounted on a support with a central gear, upper and lower traverses connected to the shaft, vertical axes pivotally mounted in the traverses with blades fixed to them and driven gears kinematically connected to the central a gear, and a weather vane, equipped with an additional axis and intermediate gears, the power take-off shaft is hollow, the support is in the form of a vertical strut, on the outer surface of which by Ipnikov has a power take-off shaft, fixed axles are mounted on the upper traverse with intermediate gears mounted on them, each of which is meshed with the central gear and the corresponding driven gear, while one end of the additional axis is fastened to the central gear and weather vane, and the other end by bearings mounted in the support, all gears are placed in one horizontal plane above the upper traverse.

Отношение числа зубьев центральной, промежуточной и ведомой шестерни равно соответственно 1:5:2; число зубьев центральной шестерни кратно трем; смежные вертикальные оси размещены на траверсах под углом 120^о друг к другу на одинаковом расстоянии от центра вала; каждая траверса выполнена в виде диска; ветродвигатель оснащен кожухом, установленным с зазором относительно дополнительной оси и скрепленным по периферии с верхней траверсой; вертикальная стойка выполнена в виде трубы; вал отбора мощности выполнен в виде трубы; к валу отбора мощности подсоединен синхронный электрогенератор, закрепленный на опоре.The ratio of the number of teeth of the central, intermediate and driven gear is 1: 5: 2, respectively; the number of teeth of the central gear is a multiple of three; adjacent vertical axes are placed on the traverses at an angle of 120 ° ^to each other at the same distance from the center of the shaft; each traverse is made in the form of a disk; the wind turbine is equipped with a casing installed with a gap relative to the additional axis and fastened around the periphery with the upper beam; the vertical stand is made in the form of a pipe; the power take-off shaft is made in the form of a pipe; a synchronous power generator connected to a support is connected to the power take-off shaft.

На фиг. 1 изображен ветродвигатель (вид сбоку); на фиг. 2 то же, вид сверху. In FIG. 1 shows a wind turbine (side view); in FIG. 2 same, top view.

Ветродвигатель содержит опору 1 в виде вертикальной трубчатой стойки, на наружной поверхности которой посредством опорных подшипников качения 2 и 3 установлен вертикальный вал отбора мощности 4, выполненный полым, предпочтительно в виде трубы. На валу 4 укреплены верхняя 5 и нижняя 6 траверсы, каждая из которых выполнена в виде диска, охватывающего вал. Через установленные в траверсах 5 и 6 подшипники качения 7 и 8 пропущены поворотные оси 9, смежные из которых размещены под углом 120^о друг к другу по окружности одного диаметра. На каждой из трех осей 9 симметрично укреплена лопасть 10 прямоугольной формы и ведомая шестерня 11. Верхняя траверса 5 оснащена тремя осями вращения 12 с установленными на них с возможностью свободного вращения промежуточными шестернями 13, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней 14 и соответствующей ведомой шестерней 11. Центральная шестерня 14 укреплена на дополнительной поворотной вертикальной оси 15, на одном конце которой со стороны шестерни укреплен флюгер 16, а другой конец дополнительной оси посредством подшипников качения 17 и 18 установлен в верхней части трубчатой опоры 1 так, что ось вместе с шестерней могут свободно вращаться вокруг вертикальной сои даже при весьма незначительных усилиях, возникающих на флюгере при смене направления ветра (на чертеже условно показано стрелками). Все упомянутые шестерни 11, 13 и 14 размещены в одной горизонтальной плоскости над верхней траверсой 5. Отношение число зубьев центральной, промежуточной и ведомой шестерен между собой равно соответственно 1: 5: 2, причем число зубьев центральной, а следовательно, и всех остальных шестерен кратно трем. При этом центральная шестерня 15 является управляющей по отношению к ведомым шестерням 11 и, поворачиваясь вокруг своей оси под воздействием самоустанавливающегося по ветру флюгера, через промежуточные шестерни 13 поворачивает на соответствующий угол и ведомые шестерни 11, а вместе с последними и лопасти 10, устанавливая их на наиболее оптимальный угол атаки по отношению к вектору скорости ветрового потока. Диаметр шестерни 14 выбран предельно минимальным, что при указанном соотношении числа зубьев шестерен обеспечивает высокую чувствительность всего шестеренчатого механизма к силовым воздействиям со стороны флюгера. Отсутствие весовых нагрузок на вращающиеся шестерни 11, 13 и 14 также способствует повышению чувствительности к силовым воздействиям со стороны флюгера. Кроме того, указанное соотношение зубчатых шестерен позволяет наиболее полно использовать габариты ветродвигателя для увеличения площади лопастей. Все это позволяет оптимизировать работу и наиболее полно использовать энергию потока ветра. Для исключения снижения КПД шестеренчатого механизма при его длительной работе в условиях дестабилизирующих воздействий внешних осадков, песчаных бурь и т.д. шестерни сверху закрыты кожухом 19 с осевым отверстием, через которое пропущена дополнительная вертикальная поворотная ось 15, а по периферии кожух скреплен с поверхностью верхней траверсы 5, обеспечивая требуемое уплотнение от проникновения осадков и песка в зубчатое зацепление шестерен, а также в подшипники. Диаметр траверс 5 и 6 предпочтительно равен диаметру окружности, описываемой внешними ребрами лопастей при их вращательном движении вокруг вала 4, что также повышает коэффициент использования ветровой энергии за счет снижения потерь давления на лопастях на перетекание среды в зоны пониженного давления. Вся весовая нагрузка с подвижных частей ветродвигателя передается на нижнюю часть трубчатой стойки опоры 1, поэтому последняя, как и вал отбора мощности 4, имеют минимальный вес и весьма простую конструкцию (в виде стандартных труб), сто снижает металлоемкость и стоимость ветродвигателя.The wind turbine comprises a support 1 in the form of a vertical tubular strut, on the outer surface of which, by means of the thrust bearings 2 and 3, a vertical power take-off shaft 4 is installed, made hollow, preferably in the form of a pipe. On the shaft 4, the upper 5 and lower 6 traverses are fixed, each of which is made in the form of a disk covering the shaft. Through the rolling bearings 7 and 8 installed in the traverses 5 and 6, the rotary axes 9 are passed, the adjacent ones of which are placed at an angle of 120 ° ^to each other around a circle of the same diameter. A rectangular blade 10 and a driven gear 11 are symmetrically mounted on each of the three axles 9. The upper crosshead 5 is equipped with three rotation axles 12 with intermediate gears 13 mounted on them with free rotation, each of which is engaged with the central gear 14 and the corresponding driven gear 11. The central gear 14 is mounted on an additional rotary vertical axis 15, at one end of which a weather vane 16 is mounted on the gear side, and the other end of the additional axis by bearings Cove rolling 17 and 18 mounted on top of the tubular support 1 so that the axis together with the pinion gear can rotate freely about a vertical soybean even with very little effort, emerging on the weather vane when the direction of wind (shown schematically in the figure by arrows). All the mentioned gears 11, 13 and 14 are placed in one horizontal plane above the upper traverse 5. The ratio of the number of teeth of the central, intermediate and driven gears to each other is 1: 5: 2, respectively, and the number of teeth of the central, and therefore all other gears is a multiple of three. In this case, the central gear 15 is controlling with respect to the driven gears 11 and, turning around its axis under the influence of a wind vane, is installed through the intermediate gears 13 and the driven gears 11 rotate through the corresponding gears 13 and, together with the latter, the blades 10, setting them on the most optimal angle of attack with respect to the wind flow velocity vector. The diameter of the gear 14 is selected to be extremely minimal, which, with the specified ratio of the number of teeth of the gears, ensures high sensitivity of the entire gear mechanism to force effects from the side of the wind vane. The absence of weight loads on the rotating gears 11, 13 and 14 also contributes to an increase in sensitivity to power influences from the side of the wind vane. In addition, the specified ratio of gears allows the most complete use of the dimensions of the wind turbine to increase the area of the blades. All this allows you to optimize the work and make the most of the energy of the wind flow. To avoid reducing the efficiency of the gear mechanism during its long-term operation under the conditions of the destabilizing effects of external precipitation, sand storms, etc. the gears are closed from above by a casing 19 with an axial bore through which an additional vertical rotary axis 15 is passed, and on the periphery the casing is bonded to the surface of the upper beam 5, providing the required seal against penetration of sediment and sand into the gearing of the gears, as well as into the bearings. The diameter of the traverses 5 and 6 is preferably equal to the diameter of the circle described by the outer edges of the blades during their rotational movement around the shaft 4, which also increases the utilization of wind energy by reducing pressure losses on the blades for the medium to flow into the low pressure zones. The entire weight load from the moving parts of the wind turbine is transferred to the lower part of the tubular strut of the support 1, so the latter, like the power take-off shaft 4, has a minimum weight and a very simple design (in the form of standard pipes), one hundred reduces the metal consumption and the cost of the wind turbine.

На нижней части вала отбора мощности 4 укреплен шкив 20, который посредством клиноременной передачи 21 соединен со шкивом 22, укрепленным на валу синхронного электрогенератора 23, установленного на опоре. Через пульт управления 24 электрогенератор может быть подключен к общей электросети. Проведенные эксперименты показали, что работа предлагаемого ветровдвигателя в паре именно синхронного электрогенератора (380/220 В) обеспечивает постоянство числа оборотов ветровдвигателя в диапазоне скоростей ветра равным 3-30 м/с, что обеспечивает простоту его включения в общую электросеть без дополнительных систем регулировки. A pulley 20 is mounted on the lower part of the power take-off shaft 4, which is connected via a V-belt transmission 21 to a pulley 22 mounted on the shaft of a synchronous electric generator 23 mounted on a support. Through the remote control 24, the generator can be connected to a common electrical network. The experiments showed that the operation of the proposed wind turbine in a pair of namely a synchronous electric generator (380/220 V) provides a constant number of revolutions of the wind turbine in the range of wind speeds of 3-30 m / s, which ensures the ease of its inclusion in the general electrical network without additional adjustment systems.

В процессе работы под воздействием ветра лопасти 10 передают вращающий момент через траверсы 5 и 6 на вал отбора мощности 4, а с последнего через шкив 20 и ремень 21 на шкив 22 электрогенератора 23. В зависимости от направления ветра флюгер 16 самоустанавливается по ветру и через дополнительную ось 15 поворачивает центральную шестерню 14, а весте с ней через шестерни 11 и 13 поворачивает на определенный угол и лопасти 10, всегда устанавливая их при этом в наиболее оптимальное по отношению к направлению ветра положение, при котором обеспечивается максимальное использование энергии ветра. При неизменности направления ветра флюгер удерживает шестерню 14, следовательно, и лопасти 10 в неизменном положении. Шестерни 11 и 13 свободно обкатывают шестерню 14, автоматически изменяя текущее значение угла атаки лопастей в зависимости от их положения при движении вокруг вертикальной стойки 1, обеспечивая максимальное использование энергии ветрового потока, что подтверждено экспериментальными исследованиями ветродвигателя. Разгрузка центральной шестерни 14 от лишних весовых нагрузок способствует более точной установке ее вместе с флюгером вдоль направления ветра и в сочетании с жесткой передачей через промежуточные шестерни 13 обеспечивает (по сравнению с ременными и цепными передачами) точную регулировку положения лопастей 10 при их окружном движении с установкой их на наивыгоднейший угол атаки по отношению к вектору скорости обдувающего их ветрового потока. In the process, under the influence of wind, the blades 10 transmit torque through the traverses 5 and 6 to the power take-off shaft 4, and from the latter through the pulley 20 and belt 21 to the pulley 22 of the electric generator 23. Depending on the direction of the wind, the vane 16 is self-installing in the wind and through an additional the axis 15 rotates the central gear 14, and with it through the gears 11 and 13 rotates by a certain angle and the blades 10, always setting them in the most optimal position with respect to the wind direction, in which Flax use of wind energy. If the direction of the wind is unchanged, the weather vane holds the gear 14, therefore, the blades 10 in the same position. Gears 11 and 13 freely run around gear 14, automatically changing the current value of the angle of attack of the blades depending on their position when moving around vertical strut 1, ensuring maximum use of wind flow energy, which is confirmed by experimental studies of a wind turbine. The unloading of the central gear 14 from unnecessary weight loads contributes to a more accurate installation of it together with the weather vane along the wind direction and, in combination with a hard transmission through the intermediate gears 13, provides (compared to belt and chain transmissions) precise adjustment of the position of the blades 10 during their circumferential movement with installation them at the most favorable angle of attack with respect to the velocity vector of the wind flow blowing them.

Ветродвигатель может работать и на другие типа потребителей мощности, однако, наиболее оптимальна его работа с синхронным электрогенератором, обеспечивающим надежную работу как на индивидуального потребителя, так и на общую электросеть. The wind turbine can also work on other types of power consumers, however, its most optimal operation is with a synchronous electric generator, which ensures reliable operation both for an individual consumer and for a common power grid.

Экспериментальные исследования показали, что данный ветродвигатель имеет максимальный момент вращения при трех лопастях, расположенных под углом 120^о друг к другу по диаметру одной окружности. Если момент вращения, создаваемый одной установленной поперек ветра лопастью, принять за единицу, то для трехлопастного ветродвигателя этот момент возрастает в 1,73 раза, тогда как для 4-лопастного лишь в 1,4 а для 6-лопастного всего лишь в 1,2 раза. При этом выполнение опоры в виде вертикальной трубчатой стойки значительно упрощает монтаж и эксплуатацию ветродвигателя. Кратность числа зубьев шестерен трем также повышает точность регулировки угла установки лопастей, следовательно, повышает коэффициент использования энергии ветра.Experimental studies have shown that this wind turbine has a maximum torque with three blades located at an angle of 120 ^about each other along the diameter of one circle. If the moment of rotation created by one blade installed across the wind is taken as unity, then for a three-blade wind turbine this moment increases 1.73 times, while for a 4-blade only 1.4 and for a 6-blade only 1.2 times. At the same time, the implementation of the support in the form of a vertical tubular rack greatly simplifies the installation and operation of the wind turbine. The multiplicity of the number of teeth of the gears three also increases the accuracy of adjusting the angle of installation of the blades, therefore, increases the utilization of wind energy.

Сравнительные испытания ветродвигателя с зубчато-ременной и цепной передачей, а также предлагаемого ветродвигателя, подтвердили более высокую надежность и мощность предлагаемого ветродвигателя при прочих равных условиях их испытаний и габаритных размерах, что подтверждает более высокую эффективность конструкции предлагаемого ветродвигателя. Comparative tests of a wind turbine with a gear-belt and chain transmission, as well as the proposed wind turbine, confirmed the higher reliability and power of the proposed wind turbine, ceteris paribus their test conditions and overall dimensions, which confirms the higher design efficiency of the proposed wind turbine.

Claims

1. A wind turbine containing a support, a vertical power take-off shaft mounted on a support with a central gear, upper and lower traverses connected to the shaft, vertical axes pivotally mounted in the traverses with blades and driven gears fixed to them, kinematically connected to the central gear, and a weather vane, characterized in that the wind turbine is equipped with an additional axis and intermediate gears, the power take-off shaft is hollow, the support is in the form of a vertical strut, on the outer surface of which of bearings, a power take-off shaft is installed, fixed axles are mounted on the upper traverse with intermediate gears mounted on them, each of which is meshed with the central gear and the corresponding driven gear, while one end of the additional axis is fastened to the central gear and weather vane, and the other end by bearings mounted in the support, all gears are placed in one horizontal plane above the upper traverse.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the ratio of the number of teeth of the central, intermediate and driven gears is 1: 5: 2, respectively.

3. The wind turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the number of teeth of the central gear is a multiple of three.

4. Wind turbine according to paragraphs. 1-3, characterized in that the adjacent vertical axis is placed on the traverse at an angle of 120 ^{o to} each other at the same distance from the center of the shaft.

5. Wind turbine according to paragraphs. 1-4, characterized in that each traverse is made in the form of a disk.

6. The wind turbine according to claim 5, characterized in that it is equipped with a casing mounted with a gap relative to the additional axis and fastened around the periphery with the upper crosshead.

7. Wind turbine according to paragraphs. 1-6, characterized in that the vertical column is made in the form of a pipe.

8. Wind turbine according to paragraphs. 1-7, characterized in that the power take-off shaft is made in the form of a pipe.

9. Wind turbine according to paragraphs. 1-8, characterized in that a synchronous power generator connected to a support is connected to the power take-off shaft.