RU210373U1

RU210373U1 - WIND TURBINE

Info

Publication number: RU210373U1
Application number: RU2021135422U
Authority: RU
Inventors: Павел Николаевич Лобода; Павел Павлович Астахов
Original assignee: Павел Николаевич Лобода; Павел Павлович Астахов; Астахов Леонтий Павлович; Астахова Татьяна Николаевна
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам для преобразования энергии ветра в полезную механическую энергию, в частности к конструкциям ветряных двигателей с вертикальной осью вращения ротора карусельного типа с ветроприемными поворотными пластинами, и может быть использована преимущественно для выработки электроэнергии или в качестве привода к различным механическим устройствам. Обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия ветротурбины за счет значительного уменьшения силы лобового сопротивления составной лопасти при прохождении ею фазы возврата и увеличения этой силы при прохождении ею рабочей фазы путем сокращения времени межфазового перевода лопасти из закрытого положения в открытое и обратно. Ветротурбина представляет собой вертикальный вал 1 с жестко закрепленными на нем радиальными составными лопастями 2. Каждая составная лопасть выполнена в виде рамы 3. В раме 3 каждой составной лопасти 2 установлены направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 соответственно. Дополнительные лопастные элементы 5 имеют возможность поворота вокруг собственной вертикальной оси 6, совпадающей с их продольной осью. Направляющий лопастной элемент 4 установлен с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси 7, смещенной относительно его продольной оси, за счет чего образуется флюгирующая часть 8 лопасти, имеющая большую по сравнению с оставшейся частью направляющего лопастного элемента 4 площадь. Радиус поворота флюгирующей части 8 направляющего лопастного элемента 4 больше, чем радиус поворота дополнительных лопастных элементов 5 не менее чем на 10%. Направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью с возможностью ограничения их поворота на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти. При необходимости данное техническое решение может быть использовано для гидротурбины, 3 з.п. ф-лы, 2ил.The utility model relates to wind energy, namely to wind turbines for converting wind energy into useful mechanical energy, in particular to wind turbine designs with a vertical axis of rotation of a carousel-type rotor with wind-receiving rotary plates, and can be used primarily for generating electricity or as a drive to various mechanical devices. It provides an increase in the efficiency of the wind turbine due to a significant decrease in the drag force of the composite blade when it passes through the return phase and an increase in this force when it passes through the working phase by reducing the time of the interphase transition of the blade from the closed position to the open position and back. The wind turbine is a vertical shaft 1 with radial composite blades 2 rigidly fixed on it. Each composite blade is made in the form of a frame 3. A guide and additional blade elements 4, 5 are installed in the frame 3 of each composite blade 2, respectively. Additional paddle elements 5 can be rotated around their own vertical axis 6, which coincides with their longitudinal axis. The guide vane element 4 is installed with the possibility of rotation around its own vertical axis 7, displaced relative to its longitudinal axis, due to which a feathering part 8 of the blade is formed, which has a larger area compared to the remaining part of the guide vane element 4. The turning radius of the feathering part 8 of the guide vane element 4 is greater than the turning radius of the additional vane elements 5 by at least 10%. The guide and additional blade elements 4, 5 of the blade are kinematically interconnected by a rigid connection with the possibility of limiting their rotation by an angle determined between the open and closed positions of the composite blade. If necessary, this technical solution can be used for a hydraulic turbine, 3 c.p. f-ly, 2 il.

Description

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам для преобразования энергии ветра в полезную механическую энергию, в частности к конструкциям ветряных двигателей с вертикальной осью вращения ротора карусельного типа с ветроприемными поворотными пластинами, и может быть использована преимущественно для выработки электроэнергии или в качестве привода к различным механическим устройствам.The utility model relates to wind energy, namely to wind power plants for converting wind energy into useful mechanical energy, in particular to wind turbine designs with a vertical axis of rotation of a carousel-type rotor with wind-receiving rotary plates, and can be used mainly for generating electricity or as a drive to various mechanical devices.

По причине наибольшей отдачи от капиталовложений ветроэнергетические установки являются наиболее привлекательным источником возобновляемой или «зеленой» энергии, который не наносит ущерб окружающей среде. При их разработке большое внимание уделяется эффективности использования энергии ветра, повышению коэффициента полезного действия (КПД) устройства.Due to the highest return on investment, wind turbines are the most attractive source of renewable or "green" energy that does not harm the environment. When developing them, much attention is paid to the efficiency of using wind energy, increasing the coefficient of performance (COP) of the device.

Из существующего уровня техники известна ветротурбина (ветродвигатель), представляющая собой вертикальный вал с закрепленными на нем и жестко связанными между собой составными лопастями, при этом каждая составная лопасть представляет из себя раму, в которой установлены с возможностью ограниченного поворота относительно собственной вертикальной оси лопастные элементы (см., напр., RU 2202048, опубл. 10.04.2003 г.). Лопастные элементы известной ветротурбины выполнены со смещенными относительно их продольной оси симметрии поворотными осями, при этом ограничение их поворота достигается установкой упоров и ограничителей. Известное решение имеет ряд недостатков.From the existing prior art, a wind turbine (wind turbine) is known, which is a vertical shaft with composite blades fixed on it and rigidly connected to each other, with each composite blade being a frame in which the bladed elements are installed with the possibility of limited rotation about their own vertical axis ( see, for example, RU 2202048, published on April 10, 2003). The blade elements of the known wind turbine are made with rotary axes displaced relative to their longitudinal axis of symmetry, while limiting their rotation is achieved by installing stops and limiters. The known solution has a number of disadvantages.

При вращении ветротурбины под воздействием силы ветра лопастные элементы совершают циклические повороты вокруг своих осей, образуя единое полотно лопасти в рабочей фазе захвата ею воздушного потока и становясь параллельно направлению ветра в фазе возврата, то есть в фазе противодействия воздушному потоку. При этом лопастные элементы известного решения сталкиваются поочередно то с упорами, то с ограничителями в виде жестко соединенных между собой горизонтальных стержней и вертикальных ребер жесткости. В моменты этих столкновений возникает ударная сила, направленная противоположно движению лопасти, в результате чего появляются дополнительные вибрации, которые при постоянном ударном воздействии элементов лопасти на рамные элементы конструкции приводят к деформации или разрушению лопастных элементов, что является причиной низкой надежности конструкции. Так же выполнение всех элементов лопасти со смещенной осью дополнительно увеличивает инерционную массу ударной силы лопасти. Такой тип конструкции обуславливает вынужденное усиление ограничителей и осей лопасти в точках физического контакта и креплений, а так же самой рамы, что приводит к утяжелению лопасти, ротора и ветротурбины в целом. Для поворота более тяжелой лопасти, а так же ротора ветротурбины нужна большая физическая сила, что достигается увеличением ее ширины до минимально эффективных значений с неизбежным увеличением радиуса поворота лопастных элементов по отношению к ширине рамы, обуславливающим снижение скорости их поворота. В свою очередь снижение скорости поворота лопастных элементов увеличивает временной интервал перевода лопасти из рабочей фазы в фазу возврата и обратно, что сокращает период нахождения полностью раскрытой лопасти в рабочей фазе захвата воздушного потока и период нахождения лопастных элементов параллельно направлению ветра в фазе возврата, то есть в фазе противодействия воздушному потоку. Таким образом, увеличение временного интервала переходных фаз повышает суммарное лобовое сопротивление и снижает эффективность использования ветротурбиной энергии ветра за счет низкого коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) и невысокого КПД ветротурбины.When the wind turbine rotates under the influence of wind force, the blade elements perform cyclic rotations around their axes, forming a single blade blade in the working phase of capturing the air flow by it and becoming parallel to the wind direction in the return phase, that is, in the phase of counteracting the air flow. In this case, the bladed elements of the known solution collide alternately with stops, then with limiters in the form of rigidly interconnected horizontal rods and vertical stiffeners. At the moments of these collisions, an impact force occurs that is directed opposite to the movement of the blade, as a result of which additional vibrations appear, which, with a constant impact of the blade elements on the frame elements of the structure, lead to deformation or destruction of the blade elements, which is the reason for the low reliability of the structure. Also, the implementation of all elements of the blade with an offset axis further increases the inertial mass of the impact force of the blade. This type of construction causes a forced strengthening of the limiters and axes of the blade at the points of physical contact and fastenings, as well as the frame itself, which leads to a weighting of the blade, rotor and wind turbine as a whole. To turn a heavier blade, as well as a wind turbine rotor, a greater physical force is needed, which is achieved by increasing its width to the minimum effective values with an inevitable increase in the turning radius of the bladed elements in relation to the frame width, causing a decrease in their turning speed. In turn, a decrease in the rotation speed of the blade elements increases the time interval for switching the blade from the operating phase to the return phase and vice versa, which reduces the period of the fully opened blade in the operating phase of capturing the air flow and the period of blade elements being parallel to the wind direction in the return phase, that is, in anti-airflow phase. Thus, an increase in the time interval of the transitional phases increases the total drag and reduces the efficiency of wind energy use by the wind turbine due to the low coefficient of wind energy utilization (KIEV) and the low efficiency of the wind turbine.

Кроме этого, независимое между собой вращение лопастных элементов влечет за собой вероятность неполного раскрытия и образования зазоров между некоторыми элементами составной лопасти в рабочей фазе захвата воздушного потока, что влияет на уменьшение общей рабочей площади раскрытой лопасти из-за компенсации разницы давлений и снижает силу лобового сопротивления воздействию воздушного потока на лопасть в рабочей фазе, и, как следствие, снижает КПД ветротурбины.In addition, the independent rotation of the blade elements entails the possibility of incomplete opening and the formation of gaps between some elements of the composite blade in the working phase of capturing the air flow, which affects the reduction in the total working area of the open blade due to compensation for pressure differences and reduces the drag force. the impact of the air flow on the blade in the working phase, and, as a result, reduces the efficiency of the wind turbine.

Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является создание вертикально-осевой ветротурбины (ветродвигателя) карусельного типа, эффективно использующей энергию ветра.The task to be solved by the technical solution is the creation of a vertical-axial wind turbine (wind turbine) of the carousel type, which effectively uses wind energy.

Поставленная задача в заявляемом устройстве решается за счет того, что в ветротурбине, представляющей собой вертикальный вал с жестко закрепленными на нем радиальными составными лопастями, каждая из которых выполнена в виде рамы, в которой установлены с возможностью ограниченного поворота относительно собственной вертикальной оси лопастные элементы, согласно техническому решению, в раме каждой составной лопасти установлены направляющий и дополнительные лопастные элементы, причем направляющий лопастной элемент установлен с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси, смещенной относительно его продольной оси симметрии, а дополнительные лопастные элементы имеют возможность поворота вокруг собственной вертикальной оси, совпадающей с их продольной осью симметрии, при этом радиус поворота флюгирующей части направляющего лопастного элемента больше, чем радиус поворота дополнительных лопастных элементов не менее чем на 10%, кроме того, направляющий и дополнительные лопастные элементы составной лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью, выполненной ограничивающей их поворот на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти.The task in the claimed device is solved due to the fact that in a wind turbine, which is a vertical shaft with radial composite blades rigidly fixed on it, each of which is made in the form of a frame in which the bladed elements are installed with the possibility of limited rotation about their own vertical axis, according to technical solution, in the frame of each composite blade, a guide and additional blade elements are installed, and the guide blade element is installed with the ability to rotate around its own vertical axis, displaced relative to its longitudinal axis of symmetry, and the additional blade elements have the ability to rotate around their own vertical axis, coinciding with their the longitudinal axis of symmetry, while the radius of rotation of the feathering part of the guide vane element is greater than the radius of rotation of the additional vane elements by at least 10%, in addition, the guiding and additional vane elements The elements of the composite blade are kinematically connected to each other by a rigid connection, which limits their rotation through an angle determined between the open and closed position of the composite blade.

Для ограничения поворота направляющего и дополнительных лопастных элементов составной лопасти на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти, направляющий и дополнительные лопастные элементы составной лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью, шарнирно соединенной с закрепленным на раме кривошипно-шатунным механизмом, включающим маховое колесо, диаметр которого определен углом поворота лопастных элементов.To limit the rotation of the guide and additional blade elements of the composite blade by an angle determined between the open and closed position of the composite blade, the guide and additional blade elements of the composite blade are kinematically connected to each other by a rigid connection pivotally connected to a crank mechanism fixed to the frame, including a flywheel , the diameter of which is determined by the angle of rotation of the bladed elements.

Рама каждой составной лопасти может быть изогнута по дуге в вертикальной плоскости, а все установленные на ней лопастные элементы в закрытом положении повторяют ее форму. Для этого они могут быть выполнены изогнутыми по дуге в вертикальной плоскости.The frame of each composite blade can be bent along an arc in a vertical plane, and all the blade elements mounted on it in the closed position repeat its shape. To do this, they can be made curved in an arc in a vertical plane.

Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение коэффициента полезного действия ветротурбины за счет значительного уменьшения силы лобового сопротивления составной лопасти при прохождении ею фазы возврата и увеличения этой силы при прохождении ею рабочей фазы путем сокращения времени межфазового перевода лопасти из закрытого положения в открытое и обратно.The technical result achieved by the above set of features is to increase the efficiency of the wind turbine by significantly reducing the drag force of the composite blade when it passes through the return phase and increasing this force when it passes through the working phase by reducing the time of interphase transfer of the blade from the closed position to the open position and back. .

Более подробно причинно-следственная связь указанных признаков с заявленным техническим результатом раскрывается далее по тексту описания.In more detail, the causal relationship of these features with the claimed technical result is disclosed further in the text of the description.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующим материалом частного случая его выполнения, на которых изображены:The essence of the claimed device is illustrated by drawings that do not cover and, moreover, do not limit the scope of claims for this solution, but are only illustrative material of a particular case of its implementation, which show:

на фиг. 1 - ветротурбина, вид сбоку;in fig. 1 - wind turbine, side view;

на фиг. 2 - схема прохождения одной составной лопастью полного круга.in fig. 2 - a diagram of the passage of one composite blade of a full circle.

Ветротурбина представляет собой вертикальный вал 1 с жестко закрепленными на нем радиальными составными лопастями 2. Каждая составная лопасть выполнена в виде рамы 3. В раме 3 каждой составной лопасти 2 установлены направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 соответственно. Дополнительные лопастные элементы 5 имеют возможность поворота вокруг собственной вертикальной оси 6, совпадающей с их продольной осью. Направляющий лопастной элемент 4 установлен с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси 7, смещенной относительно его продольной оси, за счет чего образуется флюгирующая часть 8 лопасти, имеющая большую по сравнению с оставшейся частью направляющего лопастного элемента 4 площадь. Радиус поворота флюгирующей части 8 направляющего лопастного элемента 4 больше, чем радиус поворота дополнительных лопастных элементов 5 не менее чем на 10%.The wind turbine is a vertical shaft 1 with radial composite blades 2 rigidly fixed on it. Each composite blade is made in the form of a frame 3. A guide and additional blade elements 4, 5 are installed in the frame 3 of each composite blade 2, respectively. Additional paddle elements 5 can be rotated around their own vertical axis 6, which coincides with their longitudinal axis. The guide vane element 4 is installed with the possibility of rotation around its own vertical axis 7, displaced relative to its longitudinal axis, due to which a feathering part 8 of the blade is formed, which has a larger area compared to the remaining part of the guide vane element 4. The turning radius of the feathering part 8 of the guide vane element 4 is greater than the turning radius of the additional vane elements 5 by at least 10%.

Направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью (на чертежах условно не показано) с возможностью ограничения их поворота на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти.The guide and additional blade elements 4, 5 of the blade are kinematically interconnected by a rigid connection (not shown conventionally in the drawings) with the possibility of limiting their rotation by an angle determined between the open and closed position of the composite blade.

Работу устройства рассмотрим на примере прохождения одной составной лопасти полного круга.We will consider the operation of the device using the example of the passage of one composite blade of a full circle.

Примем условно, что начальное положение составной лопасти - раскрытое положение I (см. фиг. 2). Перевод составной лопасти из этого положения в рабочее, то есть в закрытое II, происходит следующим образом. При воздействии потока ветра на лопасть 2, находящуюся в зоне его воздействия, флюгирующая часть 8 направляющего лопастного элемента 4 ловит поток ветра, который заставляет его поворачиваться вокруг собственной вертикальной оси 7, стремясь развернуть его параллельно своему направлению. За счет смещения оси поворота относительно продольной оси симметрии направляющего лопастного элемента площадь его флюгирующей части 8 увеличивается по отношению к оставшейся (хвостовой) и при воздействии на элемент потока ветра в результате разницы возникшего лобового сопротивления на флюгирующую 8 и хвостовую части элемента его флюгирующая часть 8 испытывает большее лобовое сопротивление, за счет чего направляющий лопастной элемент 4 начинает поворот в сторону к раме 3, придавая начальный импульс в направлении поворота дополнительным лопастным элементам 5, благодаря их жесткой связи (на чертежах условно не показано). Вместе с тем лобовое сопротивление, оказываемое флюгирующей частью 8 направляющего лопастного элемента 4, выше, чем лобовое сопротивление каждого отдельно взятого дополнительного лопастного элемента 5 за счет их выполнения с меньшим по крайней мере, на 10% радиусом поворота, и, следовательно, меньшей площадью захвата ими воздушного потока, что обеспечивает исключение препятствия движению со стороны дополнительных элементов.Let us conditionally assume that the initial position of the composite blade is the open position I (see Fig. 2). The transfer of the composite blade from this position to the working one, that is, to the closed II, occurs as follows. When the wind flow acts on the blade 2 located in the zone of its influence, the feathering part 8 of the guide blade element 4 catches the wind flow, which makes it rotate around its own vertical axis 7, trying to turn it parallel to its direction. Due to the displacement of the axis of rotation relative to the longitudinal axis of symmetry of the guide bladed element, the area of its feathering part 8 increases in relation to the remaining (tail) and when exposed to the wind flow element as a result of the difference in the resulting drag on the feathering 8 and the tail part of the element, its feathering part 8 experiences greater drag, due to which the guide vane element 4 begins to rotate towards the frame 3, giving an initial impulse in the direction of rotation to the additional vane elements 5, due to their rigid connection (not shown in the drawings). At the same time, the frontal resistance exerted by the feathering part 8 of the guide bladed element 4 is higher than the frontal resistance of each individual additional bladed element 5 due to their execution with at least a 10% smaller turning radius, and, consequently, a smaller capture area. by them of an air stream that provides an exception of an obstacle to the movement from additional elements.

Дополнительные лопастные элементы 5 одновременно с направляющим лопастным элементом 4 начинают синхронный поворот относительно своих осей 6, 7 соответственно. Из-за выполнения дополнительных лопастных элементов 5 с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси, совпадающей с их продольной осью симметрии, и с меньшим радиусом поворота относительно радиуса поворота флюгирующей части 8 направляющего лопастного элемента 4 на 10% и более, воздушный зазор между дополнительными лопастными элементами 4 при повороте стремительно уменьшается, за счет чего достаточно быстро увеличивается общая площадь воздействия ветра и резко возрастает сила лобового сопротивления в зоне дополнительных лопастных элементов 4, и в окончательную фазу поворота она становится гораздо больше, чем сила лобового сопротивления, действующая на флюгирующую часть 8 направляющего лопастного элемента 4. За счет разницы величин этих сил и в сочетании с инерционной массой конструкции, обусловленной жесткой кинематической связью между лопастными элементами 4, 5, дополнительные лопастные элементы 5 с усилием «доворачивают» направляющий лопастной элемент 4, ускоряя закрытие направляющего лопастного элемента 4 и лопасти 2 в целом до положения всех лопастных элементов 4,5 параллельно раме 3. В этом положении жесткая связь ограничивает дальнейший поворот лопастных элементов, составная лопасть 2 закрыта. Таким образом, происходит быстрый перевод лопасти 2 из открытого положения I в закрытое положение II, что позволяет составной лопасти 2 в рабочей фазе захвата воздушного потока дольше находиться под воздействием пикового (наибольшего) сопротивления воздушному потоку, повышая при этом крутящий момент и, следовательно, КПД устройства.Additional blade elements 5 simultaneously with the guide blade element 4 start synchronous rotation about their axes 6, 7, respectively. Due to the implementation of additional blade elements 5 with the ability to rotate around their own vertical axis, coinciding with their longitudinal axis of symmetry, and with a smaller radius of rotation relative to the radius of rotation of the feathering part 8 of the guide blade element 4 by 10% or more, the air gap between the additional blade elements 4 rapidly decreases when turning, due to which the total area of impact of the wind quickly increases and the drag force in the area of additional bladed elements 4 increases sharply, and in the final phase of the turn it becomes much greater than the drag force acting on the feathering part 8 of the guide bladed element 4. Due to the difference in the values of these forces and in combination with the inertial mass of the structure, due to the rigid kinematic connection between the bladed elements 4, 5, additional bladed elements 5 “turn” the guide bladed element 4 with force, accelerating the closing guide blade element 4 and the blade 2 as a whole to the position of all blade elements 4.5 parallel to the frame 3. In this position, the rigid connection limits the further rotation of the blade elements, the composite blade 2 is closed. Thus, there is a rapid transfer of the blade 2 from the open position I to the closed position II, which allows the composite blade 2 in the working phase of capturing the air flow to be longer under the influence of the peak (greatest) resistance to the air flow, while increasing the torque and, consequently, the efficiency devices.

Перевод составной лопасти из рабочего закрытого положения II в раскрытое I происходит с момента прохождения лопасти положения, в котором направление движения ветрового потока становится параллельным положению лопастных элементов. Лопастные элементы 4, 5 начинают поворот в обратном направлении.The transition of the composite blade from the working closed position II to the open position I occurs from the moment the blade passes the position in which the direction of the wind flow becomes parallel to the position of the blade elements. Bladed elements 4, 5 start turning in the opposite direction.

При воздействии потока ветра на лопасть 2, находящуюся в зоне его воздействия, направляющий лопастной элемент 4 ловит поток ветра, который заставляет его поворачиваться вокруг собственной вертикальной оси 7 таким образом, чтобы в каждый следующий момент на протяжении фазы противодействия воздушному потоку лопастные элементы 4, 5 оставались в положении, параллельном направлению движения ветра. За счет смещения оси поворота 7 относительно продольной оси симметрии направляющего лопастного элемента 4 площадь его флюгирующей части 8 увеличивается по отношению к оставшейся (хвостовой) и при воздействии на элемент потока ветра в результате разницы возникшего лобового сопротивления на флюгирующую 8 и хвостовую части элемента его флюгирующая часть 8 испытывает большее лобовое сопротивление, за счет чего направляющий лопастной элемент 4 начинает поворот в сторону от рамы 3, придавая начальный импульс в направлении поворота дополнительным лопастным элементам 5, благодаря их жесткой связи. Вместе с тем лобовое сопротивление, оказываемое флюгирующей частью направляющего лопастного элемента, выше, чем лобовое сопротивление каждого отдельно взятого дополнительного лопастного элемента за счет их выполнения с меньшим по крайней мере, на 10% радиусом поворота, и, следовательно, меньшей площадью захвата ими воздушного потока, что обеспечивает исключение препятствия движению со стороны дополнительных лопастных элементов 5. Учитывая, в том числе, движение ветротурбины, а также кинематическую жесткую связь направляющего лопастного элемента 4 с дополнительными лопастными элементами 5, они начинают синхронно поворачиваться относительно собственных вертикальных осей 7, 6. Из-за выполнения дополнительных лопастных элементов с меньшим более, чем на 10% радиусом поворота воздушный зазор между ними при обратном повороте стремительно возрастает. Воздушный поток проходит между зазорами сквозь лопасть 2, причем достаточно небольшого поворота направляющего лопастного элемента 4 для того, чтобы между дополнительными лопастными элементами 5 образовались зазоры из-за их малого радиуса поворота, и ввиду низкой плотности воздуха он сразу начинает проходить в эти зазоры. Встречное сопротивление составной лопасти 2 ветру при этом сразу начинает уменьшаться, буквально с маленького поворота. При этом благодаря малому относительно направляющего элемента радиусу поворота увеличивается скорость поворота лопастных элементов 4, 5 и полное раскрытие лопасти 2 происходит в самом начале фазы возврата, и практически всю эту фазу лопасть 2 проходит с наименьшим лобовым сопротивлением, что способствует эффективности использования энергии ветра и повышает КПД ветротурбины.When the wind flow acts on the blade 2, which is in the zone of its influence, the guiding blade element 4 catches the wind flow, which makes it rotate around its own vertical axis 7 so that at each next moment during the phase of counteracting the air flow, the blade elements 4, 5 remained in a position parallel to the direction of the wind. Due to the displacement of the axis of rotation 7 relative to the longitudinal axis of symmetry of the guide bladed element 4, the area of its feathering part 8 increases with respect to the remaining (tail) and when exposed to the wind flow element as a result of the difference in the resulting drag on the feathering 8 and the tail part of the element, its feathering part 8 experiences more drag, due to which the guide vane element 4 begins to turn away from the frame 3, giving an initial momentum in the direction of rotation to the additional vane elements 5 due to their rigid connection. At the same time, the frontal resistance provided by the feathering part of the guide blade element is higher than the frontal resistance of each individual additional bladed element due to their execution with at least a 10% smaller turning radius, and, consequently, a smaller area for capturing the air flow by them. , which ensures the elimination of obstacles to movement from the side of the additional blade elements 5. Considering, among other things, the movement of the wind turbine, as well as the kinematic rigid connection of the guide blade element 4 with the additional blade elements 5, they begin to rotate synchronously about their own vertical axes 7, 6. From - due to the implementation of additional bladed elements with a smaller turning radius of more than 10%, the air gap between them rapidly increases during the reverse turn. The air flow passes between the gaps through the blade 2, and a small rotation of the guide blade element 4 is sufficient for gaps to form between the additional blade elements 5 due to their small turning radius, and due to the low air density, it immediately begins to pass into these gaps. The counter resistance of the composite blade 2 to the wind at the same time immediately begins to decrease, literally from a small turn. At the same time, due to the small radius of rotation relative to the guide element, the rotation speed of the blade elements 4, 5 increases and the full opening of the blade 2 occurs at the very beginning of the return phase, and the blade 2 passes almost all of this phase with the least drag, which contributes to the efficiency of using wind energy and increases wind turbine efficiency.

Таким образом, максимальное увеличение лобового сопротивления воздушному потоку и увеличение периода его действия в рабочей фазе захвата воздушного потока с одновременным существенным снижением лобового сопротивления в фазе противодействия воздушному потоку увеличивает крутящий момент ветротурбины и, следовательно, КПД устройства. При этом, чем больше установлено дополнительных элементов 5, тем радиус поворота относительно их центральных осей меньше и тем короче временной интервал перевода составной лопасти в противоположное положение и, следовательно, тем выше КПД ветротурбины. Вместе с тем, не имеет значения какое место в составной лопасти занимает направляющий лопастной элемент 4. Он может стоять крайним, или посередине, или, как показано на фиг. 1, первым от вертикального вала ветротурбины 1. В любом варианте его размещения он выполняет свою функцию в полном объеме.Thus, the maximum increase in the frontal resistance to the air flow and an increase in the period of its action in the working phase of capturing the air flow with a simultaneous significant decrease in the frontal resistance in the phase of counteracting the air flow increases the torque of the wind turbine and, consequently, the efficiency of the device. At the same time, the more additional elements 5 are installed, the smaller the radius of rotation relative to their central axes and the shorter the time interval for moving the composite blade to the opposite position and, therefore, the higher the efficiency of the wind turbine. At the same time, it does not matter what place the guide blade element 4 occupies in the composite blade. It can stand at the extreme, or in the middle, or, as shown in Fig. 1, the first from the vertical shaft of the wind turbine 1. In any variant of its placement, it performs its function in full.

При этом опытным путем установлено, что при увеличении радиуса поворота направляющего лопастного элемента менее чем на 10% по отношению к радиусу поворота дополнительных лопастных элементов отсутствует эффект ускорения перенаправления движения дополнительных лопастных элементов 5 в виду незначительной разницы в площадях рабочих поверхностей направляющего и дополнительных лопастных элементов 4, 5, не обеспечивающей минимально необходимую разницу между лобовым сопротивлением потоку ветра, оказываемым флюгирующей частью 8 направляющего лопастного элемента 4 и лобовым сопротивлением дополнительного лопастного элемента 5. В этом случае направляющий элемент работает в режиме дополнительной лопасти, что не обеспечивает сокращение временного интервала перевода составной лопасти в противоположное положение и, как следствие, не обеспечивает достижение заявленного технического результата. Также опытным путем установлено, что оптимальный угол поворота лопастных элементов между закрытым и открытым их положением составляет приблизительно 135 градусов.At the same time, it has been experimentally established that with an increase in the radius of rotation of the guide blade element by less than 10% relative to the radius of rotation of the additional blade elements, there is no effect of accelerating the redirection of the movement of additional blade elements 5 due to a slight difference in the areas of the working surfaces of the guide and additional blade elements 4 , 5, which does not provide the minimum necessary difference between the frontal resistance to the wind flow provided by the feathering part 8 of the guide blade element 4 and the frontal resistance of the additional blade element 5. In this case, the guide element operates in the mode of an additional blade, which does not reduce the time interval for switching the composite blade in the opposite position and, as a result, does not ensure the achievement of the claimed technical result. It has also been experimentally established that the optimal angle of rotation of the bladed elements between their closed and open positions is approximately 135 degrees.

Остановка лопастных элементов 4, 5 достигается жесткой связью, выполненной ограничивающей их поворот в крайних точках закрытого и открытого положений.The stop of the bladed elements 4, 5 is achieved by a rigid connection, which limits their rotation at the extreme points of the closed and open positions.

Обеспечение ограничения жесткой связью угла поворота может быть достигнуто разными способами. Например, на жесткой связи может быть установлен ползун, который в свою очередь установлен в направляющем пазу длиной, соответствующей углу поворота лопастных элементов. Или обеспечение ограничения жесткой связью угла поворота может быть выполнено путем шарнирного соединения жесткой связи с рычагом, вращающимся вокруг неподвижной оси и удерживающимся в двух крайних положениях пружиной, воздействующей на ползун, для установки его в двух положениях, соответствующих углу, определяемому между открытым и закрытым положением составной лопасти. Также жесткая связь может быть шарнирно соединена с фиксируемым поверхностью рамы угловым двуплечим рычагом, вращающимся вокруг неподвижной оси и занимающим два крайних положения, соответствующих углу поворота лопастных элементов между закрытым и открытым их положением.Ensuring that the angle of rotation is constrained by a rigid link can be achieved in a variety of ways. For example, a slider can be installed on a rigid connection, which in turn is installed in a guide groove with a length corresponding to the angle of rotation of the bladed elements. Or, the provision of a rigid connection to limit the angle of rotation can be performed by swiveling the rigid connection to a lever that rotates around a fixed axis and is held in two extreme positions by a spring acting on the slider to set it in two positions corresponding to the angle determined between the open and closed position. composite blade. Also, the rigid connection can be pivotally connected to the frame surface by an angular two-arm lever rotating around a fixed axis and occupying two extreme positions corresponding to the angle of rotation of the bladed elements between their closed and open positions.

В предпочтительном варианте выполнения устройства направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 составной лопасти 2 кинематически связаны между собой жесткой связью, шарнирно соединенной с кривошипно-шатунным механизмом. Кривошипно-шатунный механизм закреплен на раме 3 и включает маховое колесо. Диаметр махового колеса определяют на основании размеров составной лопасти и угла поворота лопастных элементов. Такое выполнение ограничения поворота лопастных элементов позволяет исключить отрицательно влияющие на КПД ветротурбины ударные нагрузки, возникающие при взаимодействии лопастных элементов с рамой, которые неизбежны в конструкциях ветротурбин с упорами и ограничителями и обуславливает дополнительное повышение КПД ветротурбины за счет обеспечения плавной работы ветротурбины путем исключения перераспределения кинетической энергии ударов лопастных элементов о раму составной лопасти и увеличения временных интервалов рабочих фаз захвата и противодействия воздушному потоку за счет уменьшения временных интервалов переходных фаз, а так же из-за синхронизации работы лопастных элементов и уменьшения веса конструкции ротора ветротурбины.In the preferred embodiment of the device, the guide and additional blade elements 4, 5 of the composite blade 2 are kinematically interconnected by a rigid connection pivotally connected to the crank mechanism. The crank mechanism is fixed to the frame 3 and includes a flywheel. The flywheel diameter is determined based on the dimensions of the composite blade and the angle of rotation of the blade elements. This implementation of limiting the rotation of the blade elements makes it possible to exclude shock loads that adversely affect the efficiency of the wind turbine, arising from the interaction of the blade elements with the frame, which are inevitable in the designs of wind turbines with stops and limiters and causes an additional increase in the efficiency of the wind turbine by ensuring smooth operation of the wind turbine by eliminating the redistribution of kinetic energy impacts of the bladed elements on the frame of the composite blade and an increase in the time intervals of the working phases of capturing and counteracting the air flow by reducing the time intervals of the transitional phases, as well as due to the synchronization of the operation of the bladed elements and reducing the weight of the wind turbine rotor structure.

Для улучшения аэродинамических параметров лопасти в некоторых вариантах выполнения рама каждой составной лопасти изогнута по дуге в вертикальной плоскости, а все установленные на ней лопастные элементы в закрытом положении повторяют ее форму.To improve the aerodynamic parameters of the blade, in some embodiments, the frame of each composite blade is curved along an arc in a vertical plane, and all the blade elements mounted on it in the closed position repeat its shape.

Настоящее техническое решение дает возможность производить запуск ветротурбины на малых ветрах с исключением применения дополнительных устройств, благодаря предлагаемой конструкции составной лопасти. Такое устройство ветротурбины позволяет повысить ее КПД, упростить конструкцию, повысить устойчивость и механическую надежность при одновременном снижении материалоемкости в сравнении с аналогичными установками. Это делает экономически выгодным производство и использование ветротурбин предлагаемой конструкции как в личных целях, так и в промышленных масштабах. Кроме того, при необходимости данное техническое решение может быть использовано для гидротурбины.This technical solution makes it possible to launch a wind turbine at low winds with the exception of the use of additional devices, thanks to the proposed design of the composite blade. Such a device of a wind turbine makes it possible to increase its efficiency, simplify the design, increase stability and mechanical reliability while reducing material consumption in comparison with similar installations. This makes it economically viable to manufacture and use wind turbines of the proposed design both for personal purposes and on an industrial scale. In addition, if necessary, this technical solution can be used for a hydraulic turbine.

Claims

1. A wind turbine, which is a vertical shaft with radial composite blades rigidly fixed on it, each of which is made in the form of a frame in which the bladed elements are installed with the possibility of limited rotation about their own vertical axis, characterized in that a guide is installed in the frame of each composite blade. and additional vane elements, wherein the guiding vane element is installed with the possibility of rotation around its own vertical axis, displaced relative to its longitudinal axis of symmetry, and additional vane elements are rotatable around its own vertical axis, coinciding with their longitudinal axis of symmetry, while the radius of rotation of the feathering part of the guide blade element is greater than the turning radius of the additional blade elements by at least 10%, in addition, the guide and additional blade elements of the composite blade are kinematically interconnected by a rigid connection, limiting their rotation by an angle determined between the open and closed position of the composite blade.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the guide and additional blade elements of the composite blade are kinematically interconnected by a rigid connection pivotally connected to a crank mechanism fixed to the frame, including a flywheel, the diameter of which is determined by the angle of rotation of the blade elements.

3. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the frame of each composite blade is curved in an arc in a vertical plane, and all the blade elements installed on it in the closed position repeat its shape.

4. Wind turbine according to claim 3, characterized in that the guide and additional bladed elements are curved along an arc in a vertical plane.