RU2087742C1

RU2087742C1 - Power plant

Info

Publication number: RU2087742C1
Application number: RU93043890A
Authority: RU
Inventors: Иркле Валеевич Исхаков
Original assignee: Иркле Валеевич Исхаков
Priority date: 1993-09-01
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: power engineering; wind and water energy conversion into electrical, thermal, and mechanical energy. SUBSTANCE: power plant has shaft 1 with blades 2, its axis of revolution being perpendicular to flow, shield 3 placed upstream of shaft 1 to cover its bottom part, and drive 7. Blades 2 are made in the form of right and left multipass worm with opposing blades. Wind and water options of plant are unified. EFFECT: simplified design, improved reliability, reduced cost, facilitated transportation in disassembled condition, improved repairability and environmental friendliness provision for operation in all climates. 2 dwg

Description

Энергетическая установка относится к энергетической промышленности, преимущественно к производству энергетических установок для преобразования ветровой и водной энергии в электрическую, тепловую или механическую. A power plant refers to the energy industry, primarily to the production of power plants for converting wind and water energy into electrical, thermal or mechanical.

Известны энергетические установки, содержащие вал или ротор или барабан с лопастями и экран, закрывающий одну из сторон оси вала. Known power plants containing a shaft or rotor or drum with blades and a screen covering one of the sides of the shaft axis.

Энергетические установки карусельного и барабанного типов содержат вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, экран, закрывающий от потока одну из сторон оси вала с лопастями либо специальное приспособление, поворачивающий часть вращающихся против потока лопастей ребром к потоку. Т.к. лопасти, незакрытые экраном, движутся по направлению потока, то их окружная скорость не может превышать скорости потока. Power plants of the carousel and drum types contain a shaft with blades, the axis of rotation of which is perpendicular to the direction of flow, a screen covering one of the sides of the shaft axis with blades from the flow, or a special device that turns part of the blades rotating against the flow with the rib facing the stream. Because the blades, not covered by the screen, move in the direction of flow, then their peripheral speed cannot exceed the flow rate.

Эти энергетические установки относительно тихоходны, более громоздки и менее эффективны, чем установки крыльчатого типа. Коэффициент использование энергии потока ξ показывающий, какая доля энергии потока преобразуется в механическую энергию, у них доходит до 0,18 [1]
Наиболее близкой по технической сущности является энергетическая установка барабанного типа, содержащая вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, установленный перед валом со стороны потока экран, закрывающий его нижнюю часть и привод [2]
К основным недостаткам установки относятся:
нагрузка потока действует не одновременно на все лопасти, а поочередно;
периодически лопасти затеняют друг друга почти на половине окружности и каждая из лопастей только в одном положении воспринимает полный поток и может развить максимальную мощность;
движение лопастей в направлении потока не позволяет развить большую скорость вращения, т.е. они не могут превышать скорость потока;
размеры используемой части потока (обтекаемая поверхность) малы по сравнению с размерами вала с лопастями.These power plants are relatively slow, bulky and less efficient than wing-type plants. The utilization coefficient of the flow energy ξ showing how much of the flow energy is converted into mechanical energy, they reach 0.18 [1]
The closest in technical essence is a drum-type power plant containing a shaft with blades, the axis of rotation of which is perpendicular to the direction of flow, a screen installed in front of the shaft on the flow side, covering its lower part and drive [2]
The main disadvantages of the installation include:
the flow load does not act simultaneously on all blades, but alternately;
periodically, the blades obscure each other at almost half the circumference and each of the blades perceives the full flow in only one position and can develop maximum power;
the movement of the blades in the direction of flow does not allow to develop a high speed of rotation, i.e. they cannot exceed the flow rate;
the dimensions of the used part of the flow (streamlined surface) are small compared with the dimensions of the shaft with blades.

Указанные недостатки приводят к громоздкости установки увеличению веса отнесенной к единице установленной мощности и снижению надежности из-за воздействия на лопасти и опоры вала периодически меняющихся нагрузок потока. Коэффициент x установки не более 0,15 [3]
Задачей настоящего изобретения является повышение КПД установки и надежности.These shortcomings lead to the cumbersomeness of the installation, an increase in the weight assigned to a unit of installed power and a decrease in reliability due to the impact on the blades and shaft supports of periodically changing flow loads. Installation coefficient x not more than 0.15 [3]
The objective of the present invention is to increase the efficiency of the installation and reliability.

Поставленная задача решается тем, что в известной энергетической установке, содержащей вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, установленный перед валом со стороны потока экран, закрывающий его нижнюю часть и привод, согласно изобретения, лопасти выполнены в виде правого и левого многозаходного винтового шнека, причем лопасти его направлены встречно. The problem is solved in that in a known power plant containing a shaft with blades, the axis of rotation of which is perpendicular to the direction of flow, a screen installed in front of the shaft on the flow side, covering its lower part and drive, according to the invention, the blades are made in the form of a right and left multi-input screw auger, with its blades directed in the opposite direction.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 общий вид установки; на фиг. 2 сечение А-А. In FIG. 1 general view of the installation; in FIG. 2 section AA.

Энергетическая установка имеет вал 1, на который установлены лопасти 2 с винтовыми поверхностями, собрание в цилиндрическом каркасе 3 (в дальнейшем - шнек). Шнек устанавливается на опоры 4 экрана 5 закрывающего нижнюю часть шнека и соединен через коробку передач 6 с генератором 7. Лопасти 2 в цилиндрическом каркасе 3 крепятся по внутреннему и наружному диаметру к профилям 8, расположенным на внутреннем и наружном диаметрах каркаса по винтовым линиям. Лопасти 2 выполнены сплошными винтовыми поверхностями или с разбивкой их на секторы с выбранной шириной (аналогично лопастям крыльчатых энергетических установок) и имеют угол заклинения v (см. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки, М. "Сельхозгиз", 1956), который в отдельных модификациях энергетической установки может быть регулируемым (например, смещением внутреннего профиля 8 относительно наружного). Шнек выполнен с многозаходными лопастями 2 для повышения коэффициента использования энергии потока от увеличения общей площади сечения лопастей 2 в проекции на плоскость перпендикулярную потоку и в виде правого и левого многозаходного винта, причем лопасти 2 направлены встречно для уравновешивания по третьему закону Ньютона возникающих на валу 1 осевых сил, нагружающих опоры 4 [см.3] Лопасти 2 выполнены из тонколистового материала парусины, металла, пластмассовых, резиновых и др. изделий, рассчитанных на низкие давления потока на единицу площади и, в отдельных случаях, снабжены устройствами, улучшающими их обтекаемость потоком. Экран 5 выполнен составным для регулирования оборотов, остановки энергетической установки путем большего или меньшего закрытия лопастей 2 шнека от воздействия потока. The power plant has a shaft 1, on which blades 2 with screw surfaces are mounted, an assembly in a cylindrical frame 3 (hereinafter referred to as a screw). The screw is mounted on the supports 4 of the screen 5 covering the lower part of the screw and connected through the gearbox 6 to the generator 7. The blades 2 in the cylindrical frame 3 are mounted along the inner and outer diameters to profiles 8 located on the inner and outer diameters of the frame along helical lines. The blades 2 are made of solid screw surfaces or broken down into sectors with a selected width (similar to the blades of winged power plants) and have a spell angle v (see Fateev E. M. Wind turbines and wind turbines, M. "Selkhozgiz", 1956), which individual modifications of the power plant can be adjustable (for example, the offset of the internal profile 8 relative to the external). The auger is made with multi-start blades 2 to increase the energy utilization of the flow from increasing the total cross-sectional area of the blades 2 in the projection onto the plane perpendicular to the flow and in the form of a right and left multi-start screw, and the blades 2 are directed counter-to balance the axial arising on the Newton’s law 1 forces loading supports 4 [see 3] Blades 2 are made of sheet material of canvas, metal, plastic, rubber and other products, designed for low flow pressure per unit p oschadi and, in some cases, devices are provided which improve their streamlined flow. The screen 5 is made integral for controlling the speed, stopping the power plant by more or less closing the blades 2 of the screw from the action of the flow.

Энергетическая установка работает следующим образом. The power plant operates as follows.

Направленный поток попадает на незакрытые экраном 5 лопасти 2 винтового многозаходного шнека, создает на них подъемную силу и силу лобового давления [3] которые через каркас 3 передается на вал 1 как крутящий момент и осевые силы. Крутящий момент на валу 1 через коробку передач 6 вращает генератор 7, осевые силы на валу 1, благодаря выполнению винтовых лопастей в виде правого и левого многозаходного шнека с расположением лопастей навстречу друг другу, направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются и разгружают опоры 4 от односторонних осевых нагрузок. Лопасти 1 кроме вращательного движения имеют движение вдоль оси вращения. The directed flow enters the blades 2 of the multi-feed screw, which are not covered by the screen 5, creates a lifting force and frontal pressure force [3] on them, which are transmitted through the frame 3 to the shaft 1 as torque and axial forces. The torque on the shaft 1 through the gearbox 6 rotates the generator 7, the axial forces on the shaft 1, due to the design of the screw blades in the form of a right and left multi-feed screw with the blades facing each other, are directed in opposite directions and mutually balanced and unload the bearings 4 from one-sided axial loads. The blades 1 in addition to rotational motion have a motion along the axis of rotation.

Энергетическая установка имеет все факторы, необходимые для получения значения x 0,3-0,46, соответствующих мировым образцам ветродвигателей (крыльчатые, ортогональные и др.):
расположение лопастей по винтовой поверхности обеспечивает одновременные и постоянные нагрузки потока на них;
форма лопасти по изобретению является винтовой поверхностью, оптимальные углы v у которой задаются при проектировании (выбором геликоид) с учетом данных по продувке лопасти, с введением при необходимости элементов регулирования;
лопасти с винтовыми поверхностями и диаметрами до десятков метров, установленные вдоль потока, являются тонкопрофильными, т.е. пластинчатыми, которые характеризуются наименьшими профильными потерями от трения потока о поверхность и срыва потока за телом и могут быть усовершенствованы по состоянию поверхности и форме профиля с учетом результатов продувок и ряд др. [3]
Надежность энергетической установки обеспечивается снижением ее веса на единицу установленной мощности применением каркасной конструкции шнека, тонкопрофильных лопастей, обеспечением одновременности и постоянства действия нагрузки потока на все лопасти, незатененные друг с другом, что исключает переменные нагрузки на элементы конструкции, уравновешиванием действия осевых сил на опоры шнека, балансированием инерционных сил. Простота конструкции, технологичность, доступность материалов в местных условиях повышает ремонтопригодность и др. показывали надежности.A power plant has all the factors necessary to obtain a value of x 0.3-0.46, corresponding to world-class wind turbines (vane, orthogonal, etc.):
the location of the blades on a helical surface provides simultaneous and constant flow loads on them;
the shape of the blade according to the invention is a helical surface, the optimal angles v for which are set during design (by choosing a helicoid) taking into account the data on the blasting of the blade, with the introduction of control elements if necessary;
blades with helical surfaces and diameters up to tens of meters installed along the stream are thin-profile, i.e. lamellar, which are characterized by the smallest profile losses from the friction of the flow on the surface and the stall of the flow behind the body and can be improved by the state of the surface and the shape of the profile, taking into account the results of blowing and some others. [3]
The reliability of the power plant is ensured by reducing its weight per unit of installed power by using the auger frame structure, thin-profile blades, ensuring the simultaneous and constant action of the flow load on all blades that are not shaded with each other, which eliminates variable loads on the structural elements, balancing the action of axial forces on the screw supports balancing inertial forces. Simplicity of design, manufacturability, availability of materials in local conditions increases maintainability, etc. showed reliability.

Предлагаемая энергетическая установка может быть использована во всех отраслях народного хозяйства с учетом ветрового (водного) режима района, рельефа местности, технологического процесса производства, в котором применена установка. Область применения энергетической установки обширна обводнение пастбищ, мелиорация земель, использование их фермерами, отдельными хозяйствами деревень, поселков, совместная работа с электростанциями других типов и т.д. [3] Кроме того, она позволяет применять известные дополнительные устройства, повышающие эффективность, например, флюгерные, виндрозы (для установки по ветру), понтоны, якоря и др. (для использования на реках, в морских глубинах, приливах и отливах, над земной поверхностью и др.). Энергетическая установка экологически чистая, проста в изготовлении, транспортабельна в разобранном виде, ремонтируемая в местных условиях и дешевая. The proposed power plant can be used in all sectors of the economy, taking into account the wind (water) regime of the district, the terrain, the production process in which the plant is used. The scope of the power plant is extensive irrigation of pastures, land reclamation, their use by farmers, individual farms of villages, towns, joint work with other types of power plants, etc. [3] In addition, it allows the use of known additional devices that increase efficiency, for example, weathercocks, windrose (for installation in the wind), pontoons, anchors, etc. (for use on rivers, in the deep sea, tides, above the earth surface, etc.). The power plant is environmentally friendly, easy to manufacture, disassembled, transportable under local conditions and cheap.

Claims

A power plant comprising a shaft with blades, the axis of rotation of which is perpendicular to the direction of flow, a screen mounted in front of the shaft on the flow side and covering its lower part, and a drive, characterized in that the blades are made in the form of a right and left multi-helical screw auger, the blades of which directed counter.