RU2093702C1

RU2093702C1 - Vortex wind-power plant

Info

Publication number: RU2093702C1
Application number: RU96100733A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Анатольевич Серебряков
Original assignee: Рудольф Анатольевич Серебряков
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: plant has housing, draft unit, deflectors, each made in the form of at least two hollow members coaxially arranged in housing and made in the form of truncated hyperboloids of revolution with separating vertical partitions curved along spiral axis, and windwheel made in the form of body of revolution carrying fixed shaped blades and mounted above cylindrical draft channels formed by internal ends of vertical shaped partitions of each deflector. Radial of cylindrical draft channels of each pair of adjacent deflectors are chosen according to specified dependence used to reduce air flow energy loss inside power plant. The latter may by provided with automatic control system to control flow sections of channels in deflectors and, hence, generator rotor speed. EFFECT: improved design. 10 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, а более конкретно касается создания ветряных двигателей, осуществляющих преобразование энергии воздушного потока. The invention relates to wind energy, and more specifically relates to the creation of wind engines that convert energy from the air stream.

Предложенное изобретение основано на использовании "вихревого эффекта", который впервые был открыт Ж.Ж.Ранком [1] и применен в промышленности в 30-е годы нашего столетия Меркуловым А.П. [2]
"Вихревой эффект", или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в вихревой трубе, очевидно, за счет вязкости и теплопроводности спирально двигающегося газового потока [2]
В настоящее время разработаны различные конструкции ветроустановок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта. Так, например, известны вихревые ветроустановки [3, 4, 5] в которых эффективно используется энергия ветра. Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется при помощи ветроколеса в механическую, а затем в электрическую энергию. Наибольшая эффективность преобразования воздушных потоков в вихреобразные закрученные потоки достигается при реализации известных способов [6, 7, 8] формирования закрученных потоков, которые характеризуются профилированием по определенной зависимости криволинейных направляющих, определяющих форму входных каналов ветроустановки.The proposed invention is based on the use of the "vortex effect", which was first discovered by J.J. Rank [1] and applied in industry in the 30s of our century A.P. Merkulov [2]
The “vortex effect,” or Rank effect, manifests itself in a swirling flow of a viscous compressible fluid or gas and is implemented in a very simple device called a vortex tube. The axial layers of the swirling flow are cooled, and the peripheral ones are heated. The conversion of a free vortex into a forced vortex is carried out in a vortex tube, apparently due to the viscosity and thermal conductivity of a spiral moving gas stream [2]
Currently, various designs of wind turbines have been developed, the principle of which is based on the use of the vortex effect. For example, vortex wind turbines are known [3, 4, 5] in which wind energy is effectively used. The incoming air flow, even with a small wind force, is converted with the help of profiled inlet channels formed by spiral-shaped guide walls, swirls and accelerates. Thus, the kinetic energy of the air stream is converted into vortex energy, which, in turn, is converted using a wind wheel into mechanical and then into electrical energy. The greatest efficiency of converting air flows into swirl-shaped swirl flows is achieved by the implementation of known methods [6, 7, 8] for forming swirl flows, which are characterized by profiling according to a certain dependence of curved guides that determine the shape of the input channels of the wind turbine.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является известная ветроустановка [9] которая содержит вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, выполненный в виде нескольких сооснорасположенных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с вертикальными спиралеобразными перегородками, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, и вытяжное приспособление. The closest analogue of the claimed invention is a known wind turbine [9] which contains an exhaust tower with an annular air intake at the base, a guiding apparatus made in the form of several coaxially arranged hollow elements in the form of truncated hyperboloids of revolution with vertical spiral-like partitions, a wind wheel mounted at the outlet of the guiding apparatus, and exhaust device.

Однако данный аналог не обеспечивает достаточно полного преобразования энергии ветра вдоль всей высоты вытяжной башни. Это обусловлено тем, что при увеличении высоты направляющего аппарата и, соответственно, количества входных кольцеобразных каналов направляющего аппарата увеличиваются потери энергии закрученного воздушного потока во внутреннем объеме вытяжной башни из-за увеличения расстояния от преобразователя энергии (ветроколеса) до наиболее удаленных от него входных каналов. However, this analogue does not provide a sufficiently complete conversion of wind energy along the entire height of the exhaust tower. This is due to the fact that with an increase in the height of the guide vane and, correspondingly, in the number of input annular channels of the guide vane, the energy losses of the swirling air flow in the internal volume of the exhaust tower increase due to an increase in the distance from the energy converter (wind wheel) to the input channels farthest from it.

Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи, связанной со снижением потерь энергии закрученного воздушного потока по всей высоте вытяжной башни и с возможностью увеличения площадей воздухозаборных устройств за счет модульного их размещения по высоте для более полного использования энергии воздушного потока. Решение данной задачи обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в увеличении энергетической эффективности вихревой ветроустановки и возможности работы от слабого ветра и восходящих тепловых потоков. The claimed invention is aimed at solving a technical problem related to reducing the energy loss of swirling air flow over the entire height of the exhaust tower and with the possibility of increasing the area of air intake devices by modularly placing them in height to more fully use the energy of the air flow. The solution to this problem ensures the achievement of a technical result, which consists in increasing the energy efficiency of a vortex wind turbine and the ability to work from weak winds and ascending heat fluxes.

Поставленная задача решается за счет того, что вихревая ветроустановка, содержащая вытяжное устройство, корпус, направляющий аппарат, выполненный в виде, по меньшей мере, двух коаксиально установленных в корпусе установки полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по спирали, и ветроколесо, выполненное в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленное над вытяжным цилиндрическим каналом, образованным внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок, согласно заявленному изобретению, снабжена по меньшей мере одним дополнительным направляющим аппаратом и одним дополнительным ветроколесом, при этом радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждых двух соседних направляющих аппаратов выбраны в соответствии с условием:
R $\binom{n+1}{в}$ ≥ 1,2R $\binom{n}{в}$ ,
где R $\binom{n}{в}$ , R $\binom{n+1}{в}$ максимальные радиусы внутренних цилиндрических каналов верхнего и нижнего соседних направляющих аппаратов соответственно, n порядковый номер направляющего аппарата, считая от основания ветроустановки.The problem is solved due to the fact that the vortex wind turbine containing an exhaust device, a housing, a guiding apparatus made in the form of at least two hollow elements coaxially mounted in the installation housing in the form of truncated rotation hyperboloids with dividing vertical partitions, curved in a spiral, and a wind wheel made in the form of a body of revolution with rigid profiled blades and mounted above the exhaust cylindrical channel formed by the inner ends of the vertical profiles -insulated partitions, according to the claimed invention, is provided with at least one additional guide device and one additional wind wheel, with radii of cylindrical exhaust channels of each two adjacent guide vanes are selected in accordance with the condition:
R $\binom{n + 1}{in}$ ≥ 1,2R $\binom{n}{in}$ ,
where r $\binom{n}{in}$ , R $\binom{n + 1}{in}$ the maximum radii of the inner cylindrical channels of the upper and lower adjacent guide vanes, respectively, n is the serial number of the guide vanes, counting from the base of the wind turbine.

Целесообразно, чтобы в основании нижнего направляющего аппарата был выполнен вертикальный осесимметричный канал эжекции дополнительного потока воздуха. В этом случае внутри канала может быть установлена турбина - преобразователь энергии. It is advisable that at the base of the lower guide vane a vertical axisymmetric ejection channel for the additional air flow is made. In this case, a turbine — an energy converter — can be installed inside the channel.

Желательно также, чтобы в основании нижнего направляющего аппарата были выполнены осесимметричные отверстия для использования восходящих тепловых потоков. Для увеличения энергетической эффективности ветроустановки вытяжное устройство может быть выполнено в виде аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами, один из которых служит частью корпуса ветроустановки и выполнен перфорированным. It is also desirable that axisymmetric openings are made at the base of the lower guide vane for using upward heat fluxes. To increase the energy efficiency of the wind turbine, the exhaust device can be made in the form of an aerodynamic accelerator formed by two coaxial hemispherical elements, one of which serves as part of the wind turbine housing and is made perforated.

Для снижения уровня низкочастотных акустических колебаний, возникающих при работе ветроустановки, корпус должен быть покрыт шумопоглощающим покрытием. Целесообразно выполнение ветроколеса в форме тела вращения, образующего со стенками корпуса ветроустановки профилированный изоградиентный щелевой диффузор. Для повышения эффективности преобразования механической энергии в электрическую ветроколесо может быть выполнено в виде ротора электрического генератора, статор которого (обмотка) размещен на корпусе ветроустановки. To reduce the level of low-frequency acoustic vibrations arising during the operation of a wind turbine, the casing should be covered with a sound-absorbing coating. It is advisable to perform a wind wheel in the form of a body of revolution, forming a profiled isogradient slotted diffuser with the walls of the wind turbine housing. To increase the efficiency of converting mechanical energy into an electric wind wheel, it can be made in the form of a rotor of an electric generator, the stator of which (winding) is placed on the wind turbine housing.

Целесообразно выполнение направляющих аппаратов с возможностью регулирования проходного сечения входных каналов. В этом случае ветроустановка снабжается системой автоматического управления, в состав которой входят: датчик числа оборотов ветроколеса, блок преобразования сигнала управления и исполнительный механизм перемещения по крайней мере одной горизонтальной стенки каналов направляющих аппаратов. It is advisable to implement the guide vanes with the ability to control the flow area of the input channels. In this case, the wind turbine is equipped with an automatic control system, which includes: a wind wheel speed sensor, a control signal conversion unit and an actuator for moving at least one horizontal wall of the channels of the guide vanes.

Вышеуказанное выполнение ветроустановки обусловлено тем, что при модульном выполнении конструкции установки изменяется соотношение расходов воздушных потоков, протекающих через каждый модуль направляющий аппарат по сравнению с выполнением установки с отдельными, не связанными между собой, модулями. Это связано с тем, что в первый (нижний) вихреобразующий модуль поступает воздушный поток с расходом, равным сумме расходов набегающего потока воздуха через вихреобразующие каналы направляющего аппарата и эжектируемого потока воздуха через осесимметричный вертикальный канал, а в каждый расположенный выше него модуль расход воздуха соответственно увеличивается на величину расхода через каналы направляющего аппарата. The aforementioned implementation of the wind turbine is due to the fact that the modular construction of the installation changes the ratio of the flow of air flowing through each module of the guiding apparatus in comparison with the installation with separate, unconnected modules. This is due to the fact that the first (lower) vortex-forming module receives air flow with a flow rate equal to the sum of the flow rates of the incoming air flow through the vortex-forming channels of the guide apparatus and the ejected air stream through the axisymmetric vertical channel, and the air flow rate increases correspondingly in each module above it the amount of flow through the channels of the guide apparatus.

Таким образом, для использования всего поступающего в ветроустановку потока воздуха необходимо увеличивать проходное сечение каждого последующего модуля в соответствии с увеличением расхода протекающего через него потока воздуха. Учет данного газодинамического фактора обеспечивает снижение непроизводительных потерь потока воздуха и, следовательно, повышение энергетической эффективности вихревой ветроустановки в целом. Thus, in order to use all the air flow entering the wind turbine, it is necessary to increase the flow area of each subsequent module in accordance with the increase in the flow rate of the air flow passing through it. Taking this gas-dynamic factor into account provides a reduction in unproductive losses of air flow and, consequently, an increase in the energy efficiency of a whirlwind wind turbine as a whole.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что выполнение данного условия достигается при определенном соотношении максимальных радиусов внутренних цилиндрических каналов соседних (верхнего и нижнего) направляющих аппаратов:
R $\binom{n+1}{в}$ > R $\binom{n}{в}$
Под максимальным радиусом внутренних цилиндрических каналов каждого направляющего аппарата понимается радиус канала, имеющего наибольшее поперечное сечение в случае выполнения в направляющем аппарате нескольких коаксиально расположенных вихреобразующих каналов, образованных последовательно расположенными полыми элементами в форме усеченных гиперболоидов вращения. Эффективность преобразования энергии ветра с помощью вихревой ветроустановки, как и любого преобразователя энергии, зависит от стабильности параметров энергоносителя воздушного потока. Эффективность (годовая) использования ветроустановки К_исп. определяется количеством ветреных дней в году и рабочим диапазоном скорости ветра, задаваемым номинальной мощностью используемого электроагрегата

,
где А_год число дней в году;
А_раб число ветреных дней в году с заданной скоростью ветра;
v

\binom{p}{в}

= v

\binom{н}{в}

± 15% v

\binom{н}{в}

Δv_в= v

\binom{max}{в}

-v

\binom{min}{в}

диапазон скорости ветра;
v

\binom{p}{в}

рабочий диапазон скорости ветра;
v

\binom{y}{в}

номинальное значение скорости ветра, по которой рассчитывается ветроустановка;
v

\binom{max}{в}

; v

\binom{min}{в}

предельные значения скорости ветра для ветроустановки.As a result of experimental studies, it was found that the fulfillment of this condition is achieved with a certain ratio of the maximum radii of the inner cylindrical channels of adjacent (upper and lower) guiding devices:
R

\binom{n + 1}{in}

> R

\binom{n}{in}

By the maximum radius of the inner cylindrical channels of each guide vane is meant the radius of the channel having the largest cross section if several coaxially located vortex-forming channels are formed in the guide vane, formed by successively hollow elements in the form of truncated rotation hyperboloids. The efficiency of converting wind energy using a vortex wind turbine, like any energy converter, depends on the stability of the parameters of the energy carrier of the air flow. The efficacy (annual) By using wind turbines _App. is determined by the number of windy days in a year and the operating range of wind speed specified by the rated power of the used electric unit

,
where A _{year is the} number of days in a year;
A _{slave is the} number of windy days in a year with a given wind speed;
v

\binom{p}{in}

= v

\binom{n}{in}

± 15% v

\binom{n}{in}

Δv _in = v

\binom{max}{in}

-v

\binom{min}{in}

wind speed range;
v

\binom{p}{in}

working range of wind speed;
v

\binom{y}{in}

the nominal value of the wind speed by which the wind turbine is calculated;
v

\binom{max}{in}

; v

\binom{min}{in}

wind speed limits for a wind turbine.

Расширить функциональный диапазон использования ветроустановки возможно, как это следует из приведенной выше зависимости, только за счет расширения рабочего диапазона скорости ветра v $\binom{p}{в}$ . Использование для этого электронной и механической систем стабилизации частоты вращения ротора позволяет повысить К_исп. не более чем на 15%
Заявленное изобретение позволяет еще более расширить рабочий диапазон скорости ветра за счет использования функциональной зависимости скорости вращения ротора электрогенератора от величины минимальной скорости v $\binom{min}{в}$ воздушного потока, при которой начинается вращение ротора, и от размера (высоты) H_эфф входного канала направляющего аппарата. Указанные параметры, v $\binom{min}{в}$ и H_эфф, определяют минимальную начальную величину вращающего момента ротора электрогенератора ветроустановки и обеспечивают заданное номинальное число оборотов ротора n_ном:
n_ном= f(v $\binom{min}{в}$ ; H_эфф)
Таким образом, если при изменении скорости ветра изменять соответственно входное сечение каналов направляющего аппарата за счет изменения H_эфф, то можно обеспечить стабилизацию величины n_ном во всем диапазоне Δv_в. Для этого в заявленном устройстве предусмотрена система автоматического управления, которая осуществляет регулирование размеров сечения входных каналов направляющих аппаратов.It is possible to expand the functional range of using a wind turbine, as follows from the above dependence, only by expanding the working range of wind speed v $\binom{p}{in}$ . Using for this electronic and mechanical stabilization systems of the rotor speed allows you to increase K _isp. no more than 15%
The claimed invention allows to further expand the operating range of wind speed through the use of the functional dependence of the rotational speed of the rotor of the generator on the value of the minimum speed v $\binom{min}{in}$ the air flow at which the rotation of the rotor begins, and on the size (height) H _{eff of the} input channel of the guide vane. The specified parameters, v $\binom{min}{in}$ and H _eff , determine the minimum initial value of the rotor torque of the wind generator of the wind turbine and provide the specified nominal rotor speed n _nom :
n _nom = f (v $\binom{min}{in}$ ; H _eff )
Thus, if, when the wind speed changes, the input section of the channels of the guiding apparatus is changed accordingly by changing H _eff , then it is possible to stabilize the value of n _nom in the entire range Δv _c . To do this, the claimed device provides an automatic control system that regulates the size of the cross section of the input channels of the guide vanes.

На фиг. 1 изображен направляющий аппарат ветроустановки в разрезе; на фиг. 2 и 3 изображены поперечные разрезы направляющего аппарата; на фиг.4 изображен вид снизу на ветроколесо; на фиг.5 изображен вид сверху на вытяжное устройство ветроустановки; на фиг.6 изображено вытяжное устройство, выполненное в виде аэродинамического ускорителя; на фиг.7 изображена схема вихревой ветроустановки. In FIG. 1 shows a guide apparatus of a wind turbine in section; in FIG. 2 and 3 depict cross sections of a guide apparatus; figure 4 shows a bottom view of a wind wheel; figure 5 shows a top view of the exhaust device of a wind turbine; figure 6 shows an exhaust device made in the form of an aerodynamic accelerator; Fig.7 shows a diagram of a whirlwind wind turbine.

Заявленное изобретение может быть осуществлено в соответствии со следующим примером его реализации. Вихревая ветроустановка состоит (см. фиг.1-7) из корпуса, двух направляющих аппаратов, последовательно установленных один над другим. Каждый из направляющих аппаратов выполнен в виде нескольких коаксиально установленных полых элементов 1 в форме усеченных гиперболоидов вращения, между которыми размещены вертикальные перегородки 2, изогнутые в форме спирали. Стенки полых элементов 1 и перегородок 2 образуют спиральные вихреобразующие каналы направляющих аппаратов (на фиг.7 для упрощения схемы ветроустановки показано только по одному полому элементу 1 в каждом направляющем аппарате). Внутренние торцы вертикальных профилированных перегородок 2 образуют вытяжные цилиндрические каналы 3, над которыми в каждом направляющем аппарате устанавливаются ветроколеса 4. Каждое ветроколесо 4 выполняется в форме тела вращения, образующего с внутренней стенкой корпуса, частью которого является наружный полый элемент 1, профилированный щелевой диффузор (см. фиг.1). На поверхности каждого ветроколеса 4 устанавливаются жесткие профилированные лопасти 5. Над верхним ветроколесом 5 размещается вытяжное устройство 6, служащее для отсоса отработанного потока воздуха. Вытяжное устройство 6 может выполняться в форме сегмента (чаши) с заданными размерами (см. фиг.1). Наиболее предпочтительно выполнение вытяжного устройства в виде аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами 7. Нижний полусферический элемент является частью корпуса ветроустановки, и в нем выполнены отверстия 8, через которые производится отсос воздуха из внутреннего канала установки за верхним ветроколесом 4. Отсос воздуха производится за счет разрежения в области между полусферическими элементами 7, возникающего в результате ускорения в данной области набегающего воздушного потока. The claimed invention can be carried out in accordance with the following example of its implementation. A whirlwind wind turbine consists (see Fig. 1-7) of a housing, two guide vanes, sequentially mounted one above the other. Each of the guide vanes is made in the form of several coaxially installed hollow elements 1 in the form of truncated hyperboloids of revolution, between which are placed vertical partitions 2, curved in the form of a spiral. The walls of the hollow elements 1 and partitions 2 form spiral vortex-forming channels of the guiding apparatuses (in Fig. 7, to simplify the wind turbine diagram, only one hollow element 1 is shown in each guiding apparatus). The inner ends of the vertical profiled partitions 2 form exhaust cylindrical channels 3, over which wind wheels 4 are mounted in each guide vane. Each wind wheel 4 is made in the form of a body of revolution forming with the inner wall of the body, of which the outer hollow element 1 is formed, a shaped slotted diffuser (see Fig. 1). Rigid profiled blades 5 are mounted on the surface of each wind wheel 4. An exhaust device 6 is placed above the upper wind wheel 5, which serves to suck the exhaust air stream. The exhaust device 6 can be made in the form of a segment (bowl) with a given size (see figure 1). It is most preferable to design an exhaust device in the form of an aerodynamic accelerator formed by two coaxial hemispherical elements 7. The lower hemispherical element is part of the wind turbine housing and has openings 8 through which air is exhausted from the internal channel of the installation behind the upper wind wheel 4. The air is exhausted due to rarefaction in the region between the hemispherical elements 7 resulting from the acceleration of the incoming air flow in this region.

В основании 9 нижнего направляющего аппарата, частью которого является полый элемент 1, являющийся стенкой вихреобразующих каналов, выполнен вертикальный осесимметричный канал 10 эжекции дополнительного потока воздуха. Для повышения эффективности использования энергии эжектируемого потока воздуха в канале 10 устанавливается турбина 11. Само основание 9 направляющего аппарата выполняется перфорированным с массивом осесимметричных отверстий 12. Данное выполнение основания 9 нижнего направляющего аппарата позволяет использовать энергию восходящих тепловых воздушных потоков. At the base 9 of the lower guide vane, of which the hollow element 1, which is the wall of the vortex-forming channels, is a part, a vertical axisymmetric channel 10 for ejecting an additional air stream is made. To increase the energy efficiency of the ejected air flow in the channel 10, a turbine 11 is installed. The base 9 of the guide apparatus itself is perforated with an array of axisymmetric holes 12. This embodiment of the base 9 of the lower guide apparatus allows the use of the energy of the ascending heat air flows.

Совокупность входных каналов направляющих аппаратов образует общий для всей ветроустановки воздухозаборник. The set of input channels of the guide vanes forms an air intake common to the entire wind turbine.

Для снижения уровня акустических колебаний, возникающих при работе ветроустановки, корпус покрывается шумопоглощающим покрытием 13. To reduce the level of acoustic vibrations arising from the operation of a wind turbine, the casing is covered with a sound-absorbing coating 13.

Отдельные направляющие аппараты 14 устанавливаются на общем основании - ферме, которая выполняется в виде трубы 15 (см. фиг.7). Ветроколеса 4 и турбины 11 каждого направляющего аппарата устанавливаются на общем валу ротора электрогенератора 16. Возможно использование нескольких электрогенераторов для автономного преобразования энергии в каждом направляющем аппарате. Separate guide devices 14 are installed on a common base - a farm, which is made in the form of a pipe 15 (see Fig.7). Wind wheels 4 and turbines 11 of each guide vane are mounted on a common rotor shaft of the electric generator 16. It is possible to use several electric generators for autonomous energy conversion in each guide vane.

Наиболее предпочтительно выполнение каждого ветроколеса 4 и турбины 11 в виде ротора электрогенератора, статор которого (обмотка) размещается на внешней стенке корпуса ветроустановки (не показано). Конструирование ветроколеса ротора и статора в этом случае осуществляется в соответствии с известными требованиями, предъявляемыми к синхронным электрическим машинам (см. [10]). Most preferably, the implementation of each wind wheel 4 and turbine 11 in the form of a rotor of an electric generator, the stator of which (winding) is placed on the outer wall of the wind turbine housing (not shown). The design of the rotor and stator wind wheels in this case is carried out in accordance with the well-known requirements for synchronous electric machines (see [10]).

Для упрощения конструкции и повышения надежности работы ротор в указанном варианте исполнения снабжается постоянными магнитами, расположенными по окружности на внешней кромке ветроколеса. Таким образом, ветроколесо и электрогенератор выполняются в виде единого узла, в котором отсутствует приводной вал. В этом случае снижается минимальный момент трения ветроколеса установки и, следовательно, снижается минимальное предельное значение скорости ветра, при которой может работать ветроустановка. To simplify the design and improve reliability, the rotor in this embodiment is equipped with permanent magnets located around the circumference on the outer edge of the wind wheel. Thus, the wind wheel and the electric generator are made in the form of a single unit, in which there is no drive shaft. In this case, the minimum frictional moment of the installation wind wheel is reduced and, therefore, the minimum limit value of the wind speed at which the wind turbine can operate is reduced.

Кроме того, ветроустановка содержит автоматическую систему управления (не показано), в состав которой входят датчики числа оборотов, установленные на каждом ветроколесе-ротора (или на общем приводном валу при использовании одного электрогенератора), блок преобразования сигналов управления, соединенные с датчиками, и исполнительные механизмы перемещения полых элементов 1 и оснований 9 направляющих аппаратов. Основания 9, образующие вихревые каналы (см. фиг.1 и 7), и остальные полые элементы 1 выполнены с возможностью вертикального перемещения и соединены с исполнительными механизмами системы автоматического управления. Работа вихревой ветроустановки осуществляется следующим образом. Набегающий воздушный поток (ветер) поступает во входные каналы направляющих аппаратов, установленных последовательно по высоте несущей фермы-трубы 15. Ввиду того, что каналы, образованные полыми элементами 1 и вертикальными перегородками 2 заданного профиля, имеют форму спирали и сужаются по мере приближения к оси симметрии каждого направляющего аппарата, происходит закрутка отдельных струй воздушного потока и образование единого вихря на выходе из отдельных направляющих каналов в вытяжных цилиндрических каналах 3. В образованный вихревой воздушный поток эжектируются дополнительные потоки воздуха через канал 10 и через отверстия 12, выполненные в основаниях 9 направляющих аппаратов. Эжекция осуществляется за счет разрежения (снижения статического давления), создаваемого в вытяжных цилиндрических каналах 3. Выполнение каналов 10 и отверстий 12 в направляющих аппаратах позволяет использовать энергию восходящих тепловых воздушных потоков для образования вихревых потоков, энергия которых преобразуется в электрическую энергию. Преобразование осуществляется с помощью ветроколеса 10 и турбины 11, установленных в каждом направляющем аппарате и приводимых во вращение образованным в спиралеобразных каналах вихревым воздушным потоком. In addition, the wind turbine contains an automatic control system (not shown), which includes speed sensors installed on each rotor wind wheel (or on a common drive shaft using one electric generator), a control signal conversion unit connected to the sensors, and executive mechanisms for moving hollow elements 1 and bases 9 of guide vanes. The base 9, forming vortex channels (see figure 1 and 7), and the remaining hollow elements 1 are made with the possibility of vertical movement and connected to the actuators of the automatic control system. The work of a whirlwind wind turbine is as follows. The incoming air flow (wind) enters the inlet channels of the guide vanes, installed sequentially along the height of the supporting truss pipe 15. Due to the fact that the channels formed by the hollow elements 1 and vertical partitions 2 of a given profile have a spiral shape and taper as they approach the axis symmetry of each guide vane, the individual jets of air flow twist and a single vortex is formed at the exit from the individual guide channels in the exhaust cylindrical channels 3. In the vortex formed second additional air flow ejected air flows through passage 10 and through holes 12 formed in the bases of the guide vanes 9. Ejection is carried out due to rarefaction (reduction of static pressure) created in the exhaust cylindrical channels 3. The implementation of the channels 10 and holes 12 in the guiding apparatus allows the use of the energy of the ascending heat air flows to form vortex flows, the energy of which is converted into electrical energy. The conversion is carried out using a wind wheel 10 and a turbine 11 installed in each guide apparatus and driven into rotation by a swirling air flow formed in spiral channels.

Отработанный в системе преобразования энергии нижнего направляющего аппарата поток воздуха поступает в канал 10 эжекции, расположенный выше модуля направляющего аппарата (см. фиг.7) и так далее до вытяжного устройства. В вытяжном устройстве отработанный воздушный поток эжектируется через отверстия 8, выполненные в корпусе, с помощью аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами 7, в котором в качестве активной среды используется набегающий воздушный поток (ветер). В случае использования одного электрогенератора 16 крутящие моменты от каждого ветроколеса 4 и турбины 1 передают на общий приводной вал, на котором установлен ротор генератора 16. При автономном выполнении модулей-направляющих аппаратов используются ветроколеса и турбины, служащие ротором электрических машин. В этом случае преобразование энергии происходит в каждом отдельном модуле без использования приводного вала. Кроме того, в этом случае упрощается конструкция ветроустановки и уменьшается минимальный момент трения ротора в каждом направляющем аппарате. Таким образом, вихревая ветроустановка становится способной работать при низких уровнях скорости ветра. The air flow worked out in the energy conversion system of the lower guide vane enters the ejection channel 10 located above the guide vane module (see Fig. 7) and so on to the exhaust device. In the exhaust device, the exhaust air stream is ejected through openings 8 made in the housing using an aerodynamic accelerator formed by two coaxial hemispherical elements 7, in which the incident air flow (wind) is used as the active medium. In the case of using one electric generator 16, the torques from each wind wheel 4 and turbine 1 are transmitted to a common drive shaft on which the rotor of the generator 16 is mounted. When the modules-guiding devices are autonomously used, wind wheels and turbines serving as the rotor of electric machines are used. In this case, energy conversion takes place in each individual module without using a drive shaft. In addition, in this case, the design of the wind turbine is simplified and the minimum moment of friction of the rotor in each guide vane is reduced. Thus, a whirlwind wind turbine becomes able to operate at low levels of wind speed.

В процессе работы ветроустановки скорость вращения ротора контролируется датчиком числа оборотов, установленным на общем приводном валу (или на каждом роторе). При изменении скорости ветра, и, следовательно, изменении числа оборотов ротора генератора по сигналу, получаемому от соответствующего датчика, начинает работать система автоматического управления установки. Сигнал от датчика числа оборотов ротора поступает в блок преобразования сигнала, где происходит его преобразование и вырабатывается управляющий сигнал, передаваемый в исполнительный механизм (не показаны). В результате происходит управляемое перемещение полых элементов 1 и оснований 9, образующих вихреобразующие каналы в соответствующем направляющем аппарате. Перемещение осуществляется в вертикальном направлении с помощью исполнительного механизма, выполняемого, преимущественно, в виде электромеханического агрегата. During the operation of the wind turbine, the rotor speed is controlled by a speed sensor mounted on a common drive shaft (or on each rotor). When the wind speed changes, and, consequently, the generator rotor speed changes according to the signal received from the corresponding sensor, the automatic control system of the installation starts to work. The signal from the rotor speed sensor enters the signal conversion unit, where it is converted and a control signal is generated that is transmitted to the actuator (not shown). The result is a controlled movement of the hollow elements 1 and the bases 9, forming vortex channels in the corresponding guide apparatus. The movement is carried out in the vertical direction using the actuator, performed mainly in the form of an electromechanical unit.

Таким образом, в зависимости от величины отклонения числа оборотов ротора от номинального рабочего диапазона производится регулирование проходных сечений вихреобразующих каналов, от размеров которых зависит расход потока воздуха, протекающего через направляющий аппарат, что в конечном итоге определяет величину числа оборотов ветроколеса-ротора. Так, например, при снижении числа оборотов ниже номинального диапазона система автоматического управления вырабатывает управляющее воздействие, осуществляемое исполнительным механизмом, в результате которого увеличиваются (или уменьшаются) расстояния между стенками вихреобразующих каналов и, следовательно, увеличивается (уменьшается) поперечное сечение входных каналов направляющего аппарата. В конечном итоге в результате производимого регулирования увеличивается (уменьшается) расход поступающего в вытяжные цилиндрические каналы 3 потока воздуха и повышается (понижается) скорость вращения ветроколеса-ротора до номинального диапазона значений. Thus, depending on the magnitude of the deviation of the rotor speed from the nominal operating range, the flow cross-sections of the vortex-forming channels are regulated, the size of which determines the flow rate of the air flowing through the guiding apparatus, which ultimately determines the value of the number of revolutions of the wind-rotor. So, for example, if the speed decreases below the nominal range, the automatic control system generates a control action by the actuator, which increases (or decreases) the distance between the walls of the vortex-forming channels and, therefore, increases (decreases) the cross section of the input channels of the guide vane. Ultimately, as a result of the regulation, the flow rate of air flow entering the exhaust cylindrical channels 3 increases (decreases) and the speed of rotation of the wind wheel rotor rises (decreases) to the nominal value range.

Таким образом, вихревая ветроустановка способна автоматически подстраиваться под реальную скорость набегающего воздушного потока при расчетных значениях числа оборотов ротора электрогенератора, что обеспечивает преобразование энергии с высокой эффективностью при более широком диапазоне скоростей ветра. Thus, the vortex wind turbine is able to automatically adjust to the real speed of the incoming air flow at the calculated values of the rotor speed of the generator, which provides energy conversion with high efficiency with a wider range of wind speeds.

Для существующих в настоящее время ветроустановок рабочий диапазон скоростей ветра составляет от v $\binom{min}{в}$ ≈ (6-15) м/с до v $\binom{max}{в}$ ≈(20-25) м/с. Заявленная вихревая ветроустановка за счет, в первую очередь, модульного построения направляющих аппаратов, при условии согласования их по расходу потоков воздуха, возможности использования восходящих тепловых воздушных потоков и автоматического регулирования проходного сечения направляющих аппаратов, позволяет расширить рабочий диапазон скоростей ветра от v $\binom{min}{в}$ ≈(2-3) м/с до v $\binom{max}{в}$ ≈ 40 м/с и повысить коэффициент использования ветра.For current wind turbines, the operating range of wind speeds is from v $\binom{min}{in}$ ≈ (6-15) m / s to v $\binom{max}{in}$ ≈ (20-25) m / s. The claimed whirlwind wind turbine due to, first of all, the modular construction of the guide vanes, provided that they are matched by the air flow rate, the possibility of using upward thermal air flows and the automatic control of the guide vanes cross section, allows to expand the operating range of wind speeds from v $\binom{min}{in}$ ≈ (2-3) m / s to v $\binom{max}{in}$ ≈ 40 m / s and increase wind utilization.

Изобретение может быть использовано в ветроэнергетике при создании ветроустановок, осуществляющих преобразование энергии воздушного потока. Изобретение может использоваться для преобразования энергии восходящих тепловых воздушных потоков и малых ветров. Вихревая ветроустановка может применяться на местности, где преимущественно скорость ветра не велика и не стационарна во времени. The invention can be used in wind energy when creating wind turbines that convert air flow energy. The invention can be used to convert the energy of ascending heat air currents and small winds. A whirlwind wind turbine can be used in areas where mainly the wind speed is not large and is not stationary in time.

Источники информации
1. Патент Франции N 743111, кл. K 85 F, 4, приоритет 1931 г. публикация 1933 г.Sources of information
1. French patent N 743111, CL K 85 F, 4, priority 1931 publication 1933

2. А. П. Меркулов, Вихревой эффект и его применение в технике, М. Машиностроение, 1969 г. с. 7-11, 22-37. 2. A. P. Merkulov, The vortex effect and its application in technology, M. Mechanical Engineering, 1969 p. 7-11, 22-37.

3. Патент Великобритании N 2 081 390, кл. F 03 D, 3/04, F 03 C 7/02, публикация 1982 г. 3. British patent N 2 081 390, CL F 03 D, 3/04, F 03 C 7/02, 1982 publication

4. Авторское свидетельство СССР N 1539382, кл. F 03 D 3/04, публикация 1982 г. 4. Copyright certificate of the USSR N 1539382, cl. F 03 D 3/04, 1982 publication

5. Авторское свидетельство СССР N 1657723, кл. F 03 D 3/04, публикация 1991 г. 5. Copyright certificate of the USSR N 1657723, cl. F 03 D 3/04, publication of 1991

6. Авторское свидетельство СССР N 1779283, кл. F 16 D 1/08, публикация 1992 г. 6. Copyright certificate of the USSR N 1779283, cl. F 16 D 1/08, 1992 publication

7. Патент РФ N 2002128, кл. F 15 D 1/08, публикация 1993 г. 7. RF patent N 2002128, cl. F 15 D 1/08, 1993 publication

8. Патент РФ N 2002981, кл. F 15 D 1/00, публикация 1993 г. 8. RF patent N 2002981, cl. F 15 D 1/00, publication 1993

9. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение N 92-015707, кл. F 03 D 5/00, публикация 27.01.95 г. (бюллетень N 03). 9. Application for the grant of a patent of the Russian Federation for the invention N 92-015707, cl. F 03 D 5/00, publication January 27, 1995 (Bulletin No. 03).

10. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины, М. Энергия, 1980 г. с. 490-696. 10. Ivanov-Smolensky A.V. Electric machines, M. Energy, 1980. 490-696.

Claims

1. A vortex wind turbine comprising a housing, an exhaust device, a guide apparatus made in the form of at least two hollow elements in the form of truncated rotational hyperboloids coaxially mounted in the installation housing with vertical separating baffles, curved in a spiral, and a wind wheel made in the form of a body of revolution with rigid profiled blades and mounted above the exhaust cylindrical channel formed by the inner ends of the vertical profiled partitions, characterized in that equipped with at least one additional guide vane and one additional wind wheel, while the radii of the exhaust cylindrical channels of each two adjacent guide vanes are selected in accordance with the condition
R

\binom{n + 1}{in}

≥ 1,2R

\binom{n}{in}

,
where r

\binom{n + 1}{in}

and R

\binom{n}{in}

- the maximum radii of the inner cylindrical channels of the upper and lower adjacent guide vanes, respectively;
n serial number of the guide apparatus, counting from the base of the wind turbine.

2. Wind turbine according to claim 1, characterized in that a vertical axisymmetric ejection channel for an additional air flow is made at the base of the lower guide vane.

3. Wind turbine according to claim 2, characterized in that an energy turbine is installed inside the channel.

4. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the base of the lower guide vane is made axisymmetric holes.

5. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the exhaust device is made in the form of an aerodynamic accelerator formed by two coaxial hemispherical elements, one of which serves as part of the body and is made perforated.

6. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the casing is covered with a sound-absorbing coating.

7. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the wind wheel is made in the form of a body of revolution, forming a profiled isogradient slotted diffuser with the inner walls of the housing.

8. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the helicopter is made in the form of a rotor of an electric generator, the stator of which (winding) is placed on the housing of the installation.

9. Wind turbine according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the guide vanes are made with the possibility of regulating the passage section of the input channels.

10. The wind turbine according to claim 9, characterized in that it is equipped with an automatic control system, which includes a wind wheel speed sensor, a control signal conversion unit and actuating mechanisms for moving at least one horizontal wall of the channels of the guide vanes.