RU2073110C1 - Windwheel - Google Patents
Windwheel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2073110C1 RU2073110C1 RU9494013165A RU94013165A RU2073110C1 RU 2073110 C1 RU2073110 C1 RU 2073110C1 RU 9494013165 A RU9494013165 A RU 9494013165A RU 94013165 A RU94013165 A RU 94013165A RU 2073110 C1 RU2073110 C1 RU 2073110C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blade
- chord
- vortex
- wind wheel
- peripheral part
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с горизонтальной осью вращения. The invention relates to wind energy and can be used in wind energy installations with a horizontal axis of rotation.
Известно ветроколесо /1/, включающее в себя ступицу, вращающуюся вокруг своей оси, с прикрепленными к ней лопастями, расширяющимися с увеличением радиуса, каждая лопасть у своей вершины скреплена с дополнительной лопаткой (поперечным элементом), расположенной относительно лопасти так, что пики низкого давления на лопатках и лопастях при вращении расположены друг от друга на расстоянии более, чем 0,3 длины наибольшей хорды. A wind wheel / 1 / is known, including a hub rotating around its axis, with blades attached to it, expanding with increasing radius, each blade at its apex is fastened with an additional blade (transverse element) located relative to the blade so that low pressure peaks on the blades and blades during rotation are located from each other at a distance of more than 0.3 of the length of the largest chord.
Недостатком этого известного решения является неэффективное использование собственно лопастной части ветроколеса, т.к. лопасти фактически выполняют функцию маха, удерживая в заданном положении поперечные элементы. The disadvantage of this known solution is the inefficient use of the actual blade part of the wind wheel, because the blades actually perform the function of the mach, holding the transverse elements in a predetermined position.
Из теории ветродвигателей известно, что для съема максимальной мощности от ветроколеса необходимо, чтобы каждое сечение (по радиусу) лопасти отдавало наибольшую возможную мощность, а для этого хорда лопасти в корневой части должна быть больше, чем в концевой. Уход от этого в известном решении означает неоптимальное использование ветроколеса. From the theory of wind engines it is known that to remove the maximum power from the wind wheel, it is necessary that each section (along the radius) of the blade give the greatest possible power, and for this the chord of the blade in the root should be greater than in the end. Avoiding this in a well-known solution means the non-optimal use of a wind wheel.
Корневая часть лопасти в известном решении, обладающая малой "строительной высотой" в сечении, плохо работает на изгиб при ветровых нагрузках. The root part of the blade in the known solution, which has a small "building height" in cross section, does not work well in bending under wind loads.
Перечисленные недостатки затрудняют создание с использованием известного решения ветроколес сколь-нибудь значительных размеров, необходимых для получения высокой мощности в низкоскоростных ветропотоках и ограничивают его эффективность. These shortcomings make it difficult to create, using the well-known solution, wind turbines of any significant size necessary to obtain high power in low-speed wind flows and limit its effectiveness.
Целью изобретения является: повышение коэффициента использования ветроэнергетической установки за счет расширения диапазона рабочих скоростей в сторону низких скоростей ветра; увеличение мощности ветроколеса при уменьшении его габаритов; сокращение сроков окупаемости; расширение универсальности и применяемости в районах с низкоскоростными ветропотоками. The aim of the invention is: to increase the utilization rate of a wind power plant by expanding the range of operating speeds towards low wind speeds; increase in power of a wind wheel while reducing its size; reduced payback periods; expansion of universality and applicability in areas with low-speed wind flows.
Поставленная цель достигается за счет того, что лопасти ветроколеса, снабженные поперечными вихреобразующими элементами, выполнены в начале с сужающейся по радиусу хордой в корневой и центральной частях и расширяющейся - в периферийной части. This goal is achieved due to the fact that the blades of the wind wheel, equipped with transverse vortex-forming elements, are made at the beginning with a chord tapering in radius in the root and central parts and expanding in the peripheral part.
Расширение хорды начинается в периферийной части в диапазоне от 0,85.0,9 радиуса ветроколеса до конца лопасти. Угол закрутки лопасти выполнен переменным и монотонно уменьшающимся по длине в пределах корневой и центральной частях. The expansion of the chord begins in the peripheral part in the range from 0.85.0.9 of the radius of the wind wheel to the end of the blade. The swirl angle of the blade is made variable and monotonically decreasing in length within the root and central parts.
В периферийной части в диапазоне от 0,85.0,9 радиуса до конца лопасти угол ее закрутки вновь возрастает. In the peripheral part in the range from 0.85.0.9 radius to the end of the blade, the angle of its twist increases again.
Относительная толщина лопасти выполнена переменной, монотонно уменьшающейся от 30% в корневой до 20% в концевой частях, а поперечного вихреобразующего элемента в пределах 5.15%
Длина поперечного вихреобразующего элемента в аксиальном направлении и хорда выполнены в соотношении 0,8.1,5, при этом аэродинамический профиль установлен под углом атаки 4.6o относительно касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.The relative thickness of the blade is made variable, monotonically decreasing from 30% in the root to 20% in the end parts, and the transverse vortex-forming element within 5.15%
The length of the transverse vortex-forming element in the axial direction and the chord are made in the ratio of 0.8.1.5, while the aerodynamic profile is set at an angle of attack of 4.6 o relative to the tangent to the surface formed by the rotation of the wind wheel.
Фиг. 1, 2 общий вид лопастей ветроколеса; фиг. 3 график угла Φ закрутки сечений лопасти по радиусу R лопасти; фиг. 4 график изменения относительной толщины d(b) по радиусу лопасти ветроколеса; фиг. 5 эпюра скоростей ветропотока через сечение круга, ометаемого ветроколесом при работе. фиг. 6 графики коэффициента мощности Ср(Z) для заявляемого и "классического" решения ветроколеса.FIG. 1, 2 general view of the blades of a wind wheel; FIG. 3 is a graph of the angle Φ of the twist of the blade sections along the radius R of the blade; FIG. 4 is a graph of a change in relative thickness d (b) along the radius of a wind wheel blade; FIG. 5 diagram of wind flow velocities through the cross-section of a circle swept by a wind wheel during operation. FIG. 6 graphs of the power factor C p (Z) for the claimed and "classic" solutions of the wind wheel.
Ветроколесо содержит ступицу 1, радиальные лопасти 2, установленные на них поперечные вихреобразующие элементы 3, имеющие, как и лопасть, профиль аэродинамического крыла, и присоединенные к лопастям в периферийной части. The wind wheel contains a
Лопасть 2 выполнена с сужающейся по радиусу хордой b(R) в пределах корневой 4 и центральной частей (см. фиг. 1). В периферийной 6 части в диапазоне значений радиуса от 0,85.0,9 до 1,0 хорда лопасти расширяется. The
В корневой 4 и центральной 5 частях угол закрутки монотонно уменьшается (см. фиг. 3), а от (0,85.0,9)R в периферийной 6 части угол закрутки возрастает. In the
Лопасть имеет переменную относительную толщину δ(b) по радиусу ветроколеса: в корневой части при r Rк (фиг. 1) она составляет 30% а в концевой r R 20% с плавным переходом в поперечный вихреобразующий элемент (см. фиг. 2).The blade has a variable relative thickness δ (b) along the radius of the wind wheel: in the root part at r R к (Fig. 1) it is 30% and in the
Поперечный вихреобразующий элемент 3 установлен на конце лопасти 2 (фиг. 1, 2) и выполнен с соотношением длины L его в аксиальном направлении и хорды bв в диапазоне 0,8.1,5. Относительная толщина δb вихреобразующего элемента 3 выполнена в пределах 5.15% а угол атаки β (фиг. 1) составляет 4.6o касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.A transverse vortex-forming
Работа ветроколеса происходит следующим образом. При воздействии ветрового потока ветроколесо вращается с номинальной скоростью w,, определяемой балансом мощности, отбираемой от ветропотока и мощности нагрузки. The work of the wind wheel is as follows. Under the influence of the wind flow, the wind wheel rotates with a nominal speed w, determined by the balance of power taken from the wind flow and the load power.
При движении вихреобразующего элемента 3, имеющего профиль аэродинамического крыла, обращенного наибольшей кривизной к центру ветроколеса из-за перепада давлений, происходит дополнительное перетекание воздуха в зону под вихреобразующим элементом, см. фиг. 2 (стрелка). С учетом набегающего ветропотока со скоростью V∞, окружной скорости Vокр=ω•R, формируется торовое вихревое кольцо, своего рода динамический конфузор, который "засасывает" воздух в ветроколесо.When the vortex-forming
В результате скорость потока в периферийной зоне возрастает. За счет увеличения расхода повышается мощность, развиваемая ветроколесом. As a result, the flow rate in the peripheral zone increases. By increasing the flow rate, the power developed by the wind wheel increases.
Как показали исследования, эффективность ветроколеса зависит от совместной работы собственно лопасти и вихреобразующего элемента: его длины l, хорды bв, углов атаки, конструктивных параметров периферийной части лопасти.As studies have shown, the efficiency of a wind wheel depends on the joint operation of the blade itself and the vortex-forming element: its length l, chords b in , angles of attack, and design parameters of the peripheral part of the blade.
На фиг. 5 изображен поперечный профиль скоростей потока по сечению вращающегося ветроколеса. In FIG. 5 shows a transverse profile of flow rates over a section of a rotating wind wheel.
В периферийной зоне в диапазоне радиусов от R (0,85.0,9) до 1,0 расходуется возрастание скорости, что практически, например, удваивает расход воздуха через ветроколесо и соответственно повышает его мощность. Возрастание скорости потока в периферийной части лопасти приводит к изменению ориентации и величины суммарного вектора скорости набегающего на сечения лопасти ветроколеса потока:
что требует изменения увеличения углов установки сечений лопастей в периферийной части лопасти и увеличения хорды, как показано на фиг. 1 и 3.In the peripheral zone, in the range of radii from R (0.85.0.9) to 1.0, an increase in speed is consumed, which practically, for example, doubles the air flow through the wind wheel and accordingly increases its power. An increase in the flow velocity in the peripheral part of the blade leads to a change in the orientation and value of the total velocity vector of the flow of the wind wheel incident on the blade section:
which requires a change in the increase in the installation angles of the sections of the blades in the peripheral part of the blade and an increase in the chord, as shown in FIG. 1 and 3.
Ветроколесо предназначено для преимущественного использования в области низкоскоростных ветропотоков, 2,5. 6,0 м/с с сохранением эффективности в диапазоне рабочих скоростей до 20.25,0 м/с и выработки электроэнергии до десятков кВт мощности в диапазоне как малых, так и больших скоростей ветра. Ветроколесо имеет высокую приспосабливаемость в широком диапазоне ветров и на различной местности. The wind wheel is intended for primary use in the field of low-speed wind flows, 2.5. 6.0 m / s while maintaining efficiency in the range of operating speeds up to 20.25.0 m / s and generating electricity up to tens of kW of power in the range of both small and high wind speeds. The wind wheel has high adaptability in a wide range of winds and in different terrain.
Так, в корневой, центральной и периферийной частях при r <(0,85.0,9)R лопасть имеет оптимальные зависимости b(r), Φ(r),, позволяющие достичь максимального коэффициента мощности для каждого сечения. So, in the root, central and peripheral parts, for r <(0.85.0.9) R, the blade has optimal dependences b (r), Φ (r), allowing to achieve the maximum power factor for each section.
Это достигнуто применением переменного по относительной толщине профиля δ(r) и подбором оптимальной для каждого сечения сужающейся по радиусу хорды. This was achieved by applying a δ (r) profile variable in the relative thickness of the profile and by selecting the optimal chord for each section tapering along the radius.
Сочетание увеличенной против классической толщины профиля с расширенной шириной лопасти в корневой и центральной частях обеспечивает высокую изгибную и крутильную жесткость системы "лопасть вихреобразующий элемент", исключает возникновение аэроупругих колебаний ветроколеса при рабочих режимах в расширенном диапазоне скорости ветра. The combination of an increased versus classical thickness of the profile with an expanded blade width in the root and central parts provides high bending and torsional stiffness of the "vortex-forming blade" system, eliminates the occurrence of aeroelastic vibrations of the wind wheel under operating conditions in the extended wind speed range.
Толщина аэродинамического профиля вихреобразующего элемента выбиралась из условия достижения максимальной эффективности при конструктивно приемлемых параметрах: l, bв, β..The thickness of the aerodynamic profile of the vortex-forming element was chosen from the condition of achieving maximum efficiency with structurally acceptable parameters: l, b in , β ..
Исследования показали, что при скоростях ветра V 2,5.3,5 м/с ветроколесо обладает повышенной устойчивостью к провалам скорости ветра и ветровым паузам за счет инерционности процессов в вихревом динамическом конфузоре. Studies have shown that at wind speeds of V 2.5.3.5 m / s, the wind wheel has increased resistance to wind speed dips and wind pauses due to the inertia of the processes in the vortex dynamic confuser.
Ограничение мощности, развиваемой ветроколесом (при необходимости), производится классическим путем изменения углов установки сечений лопастей при увеличении скорости ветропотока. The power developed by the wind wheel (if necessary) is limited in the classical way by changing the angles of installation of the sections of the blades with increasing wind speed.
Ветроколесо обладает уменьшенными размерами, высоким ресурсом по длительности работы, высокой прочностью, а также позволяет уменьшить размеры и прочность башни ВЭУ. The wind wheel has a reduced size, a high resource for the duration of work, high strength, and also allows you to reduce the size and strength of the wind turbine towers.
Коэффициент мощности ветроколеса (рассматривается приведенный коэффициент как коэффициент пропорциональности между скоростью δ потока (в кубе), развиваемой мощностью N, плотностью , диаметром d ветроколеса), определяемый соотношением
V∞= 5...6 м/с,
может превышать известный теоретический предел для 5.6 м/с и достигать, например, 1,5.1,8.Coefficient power of the wind wheel (reduced coefficient is considered as the coefficient of proportionality between the flow rate δ (in the cube) developed by the power N, density , diameter d of the wind wheel), determined by the ratio
V ∞ = 5 ... 6 m / s,
may exceed the known theoretical limit for 5.6 m / s and reach, for example, 1.5.1.8.
При этом следует отметить расширение области положительных в области высоких чисел Z (быстроходность Z=ω•R/V∞), что повышает мощность на низкоскоростных потоках (см. график на фиг. 6, где показаны расчетные данные коэффициентов для данного решения Ср(Z) для "классической" схемы трехлопастного ветроколеса с тем же диаметром и скоростью вращения.It should be noted that the expansion of the region of positives in the region of high numbers Z (speed Z = ω • R / V ∞ ), which increases the power at low speed flows (see the graph in Fig. 6, which shows the calculated coefficients for this solution, C p (Z) for the "classical" scheme of a three-blade wind wheel with the same diameter and speed of rotation.
Применение ветроколеса ориентировано прежде всего для центрально-материковых регионов континентов, в которых среднегодовые скорости ветра лежат в диапазоне 2,5.4,5 м/с и увеличения при этом выработки электроэнергии, как за счет увеличения мощности, отбираемой от ветропотока, так и за счет коэффициента использования по времени работы. The use of the wind wheel is primarily oriented for the central continental regions of the continents, in which the average annual wind speeds lie in the range of 2.5.4.5 m / s and the increase in electric power generation, both due to an increase in the power taken from the wind flow, and due to the coefficient use by work time.
Claims (3)
в периферийной части, причем расширение хорды лопасти в периферийной части имеет место в диапазоне 0,85 0,9 радиуса до конца лопасти, угол закрутки лопасти выполнен неравномерным по радиусу: монотонно уменьшающимся на сужающемся ее участке и увеличивающимся в ее периферийной части, а сама лопасть выполнена с относительной толщиной, уменьшающейся в диапазоне 30 20% от корневой части к периферийной с плавным переходом на конце в поперечный вихреобразующий элемент, выполненный с соотношением длины в аксиальном направлении и хорды, равным 0,8 1,5.1. A wind wheel containing a hub, radial blades, transverse vortex-forming elements mounted on them, having, like the blades, the profile of the aerodynamic wing and attached to the peripheral parts of the latter, characterized in that each blade is made with a chord tapering in radius within the root and central parts and with an expanding chord
in the peripheral part, with the expansion of the chord of the blade in the peripheral part taking place in the range of 0.85 0.9 radius to the end of the blade, the twist angle of the blade is made uneven in radius: monotonically decreasing in its tapering section and increasing in its peripheral part, and the blade itself made with a relative thickness that decreases in the range of 30 to 20% from the root to the peripheral with a smooth transition at the end into a transverse vortex-forming element, made with a ratio of length in the axial direction and the chord equal to 0.8 1.5.
3. Ветроколесо по п. 1, отличающееся тем, что профиль поперечного вихреобразующего элемента установлен под углом атаки 4 6o относительно касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.2. Wind wheel according to claim 1, characterized in that the transverse swirl element is made with a relative thickness in the range of 5 to 15%
3. The wind wheel according to claim 1, characterized in that the profile of the transverse swirl element is set at an angle of attack of 4 6 o relative to the tangent to the surface formed by the rotation of the wind wheel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU9494013165A RU2073110C1 (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Windwheel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU9494013165A RU2073110C1 (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Windwheel |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94013165A RU94013165A (en) | 1995-12-20 |
RU2073110C1 true RU2073110C1 (en) | 1997-02-10 |
Family
ID=20154727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU9494013165A RU2073110C1 (en) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Windwheel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2073110C1 (en) |
-
1994
- 1994-04-15 RU RU9494013165A patent/RU2073110C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Патент США N 4530644, кл. 416 - 175, 1984. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1649163B1 (en) | Vertical-axis wind turbine | |
US3918839A (en) | Wind turbine | |
US8905706B2 (en) | Vortex propeller | |
US7789629B2 (en) | Non-fouling kinetic hydro power system axial-flow blade tip treatment | |
US4781523A (en) | Fluid energy turbine | |
KR100874046B1 (en) | Turbine for free flowing water | |
EA006361B1 (en) | Improved turbine | |
EP3617496A1 (en) | Wind turbine with slender blade | |
EP2141355A2 (en) | Wind turbine blades with multiple curvatures | |
US9822760B2 (en) | Joined blade wind turbine rotor | |
JP2011521169A (en) | Blades for wind turbine or hydro turbine rotor | |
EP3613980A1 (en) | Vertical-shaft turbine | |
US20170284363A1 (en) | Multiple airfoil wind turbine blade assembly | |
US20100202869A1 (en) | Hubless windmill | |
CN107923364B (en) | Rotor blade shaped to enhance wake diffusion | |
RU2073110C1 (en) | Windwheel | |
US20230235723A1 (en) | A wind turbine | |
RU2065991C1 (en) | Method and device for obtaining wind-generated energy | |
Dick | Wind turbines | |
WO2002064974A1 (en) | Wind power generating device | |
RU2118699C1 (en) | Wind-power plant and its operation | |
Iswahyudi et al. | Airfoil types effect on geometry and performance of a small-scale wind turbine blade design | |
RU2059105C1 (en) | Wind power plant | |
KR102606803B1 (en) | A blade for wind power generator | |
JP2005036791A (en) | Fluid-driven rotor and fluid-driven power generation device |