RU2115826C1

RU2115826C1 - Overhanging wind-electric generating plant

Info

Publication number: RU2115826C1
Application number: RU96121301A
Authority: RU
Inventors: Иосиф Иосифович Смульский
Original assignee: Иосиф Иосифович Смульский
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: wind-electric generating plant has auger rotor built up of hub carrying screw blades. Auger rotor is overhanging from mast-mounted top bearing support and is free to turn about it when wind changes its direction. Top bearing support is hinged to turning gear allowing rotor to change angle of inclination with change in wind speed. In addition, top bearing support is coupled with turning gear through damping device and articulated joints. Damping device enables rotor to change its angle of inclination in case of abrupt changes in wind speed. Overhanging plants are most suitable for power capacities from one to tens of kilowatts. EFFECT: reduced mass of auger rotor, simplified design of plant, improved efficiency of utilizing wind energy at its high speeds. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветророторам, преобразующим энергию ветра во вращение ротора. The invention relates to wind energy, namely to wind rotors that convert wind energy into rotor rotation.

Известен ветроагрегат, включающий наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей и установленный на верхнюю подшипниковую опору, смонтированную на мачте с возможностью поворота вокруг мачты, и на нижнюю опору. Ориентация ветроагрегата на ветер осуществляется автоматически поворотором ротора вокруг мачты. A wind turbine is known, including a screw rotor inclined to the horizontal plane, which consists of a hub and screw blades fixed to it and mounted on an upper bearing support mounted on a mast with the possibility of rotation around the mast, and on a lower support. The orientation of the wind unit to the wind is carried out automatically by turning the rotor around the mast.

Недостатками такой конструкции являются следующие: с увеличением скорости ветра увеличиваются изгибающие нагрузки на шнековый ротор, поэтому конструкция ротора должна быть рассчитана на ураганные ветры, что ведет к ее утяжелению. Кроме того, с увеличением скорости ветра растет число оборотов, поэтому при достижении ураганных ветров необходимо выполнять дополнительные мероприятия с целью снижения числа оборотов или использовать избыточную мощность, либо останавливать вращение ротора. Это приводит к усложнению ветроагрегата и его обслуживания. Дополнительные мероприятия приводят также к тому, что при ураганных скоростях энергия ветра не используется. The disadvantages of this design are as follows: with increasing wind speed, bending loads on the screw rotor increase, so the rotor design must be designed for hurricane winds, which leads to its weight. In addition, with increasing wind speed, the number of revolutions increases, therefore, when hurricane winds are reached, it is necessary to take additional measures to reduce the number of revolutions or use excess power, or stop the rotation of the rotor. This leads to complication of the wind turbine and its maintenance. Additional measures also lead to the fact that at hurricane speeds wind energy is not used.

Технической задачей, решаемой изобретением, является облегчение конструкции шнекового ротора, упрощение ветроагрегата и повышение эффективности использования энергии ветра при его больших скоростях. The technical problem solved by the invention is to facilitate the design of a screw rotor, simplify the wind turbine and increase the efficiency of use of wind energy at its high speeds.

Для решения технической задачи в консольном ветроагрегате, содержащем наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей и установленный на верхнюю подшипниковую опору, смонтированную на мачте с возможностью поворота вокруг ее оси, верхняя подшипниковая опора шарнирно прикреплена к узлу поворота, позволяя ротору изменять угол наклона, и связана с ним демпфирующим устройством шарниров. To solve the technical problem, in a cantilever wind turbine containing a screw rotor inclined to the horizontal plane, which consists of a hub and screw blades fixed to it and mounted on an upper bearing support mounted on the mast with the possibility of rotation around its axis, the upper bearing support is pivotally attached to the assembly rotation, allowing the rotor to change the angle of inclination, and is connected with it by a damping device of the hinges.

На фиг. 1 схематически представлен консольный ветроагрегат с положениями шнекового ротора: I - при штиле и малых скоростях ветра; II - при ураганном ветре. In FIG. 1 is a schematic representation of a cantilever wind turbine with screw rotor positions: I - with calm and low wind speeds; II - in hurricane winds.

Консольный ветроагрегат содержит наклонный к горизонтальной поверхности шнековый ротор 1, который состоит из ступицы 2 и закрепленных на ней винтовых лопастей 3. Ротор консольно закреплен в верхней опоре 4, в которой он свободно вращается на подшипниках. Верхняя подшипниковая опора 4 прикреплена к узлу поворота 5 посредством шарнира 6, который позволяет шнековому ротору 1 изменять угол наклона к горизонту α под воздействием ветра V. Дополнительно подшипниковая опора 4 связана демпфирующим устройством 7 с узлом поворота 5 с помощью шарниров 8 и 9. Демпфирующее устройство позволяет шнековому ротору плавно изменять угол наклона α ротора 1 под воздействием ветра и может быть выполнено в виде поршня 10 в цилиндре 11 с жидкостью или газом. При движении поршня 10 по каналу 12 происходит переток среды из одной полости цилиндра в другую. Каналы могут быть выполнены в поршне 10. Демпфирующее устройство уменьшает скорость изменения угла наклона ротора. The cantilever wind turbine contains a screw rotor 1 inclined to a horizontal surface, which consists of a hub 2 and screw blades fixed on it 3. The rotor is cantilevered in the upper support 4, in which it rotates freely on bearings. The upper bearing support 4 is attached to the rotation unit 5 by a hinge 6, which allows the screw rotor 1 to change the angle of inclination to the horizon α under the influence of the wind V. Additionally, the bearing support 4 is connected by a damping device 7 to the rotation unit 5 by means of hinges 8 and 9. The damping device allows the screw rotor to smoothly change the angle of inclination α of the rotor 1 under the influence of wind and can be made in the form of a piston 10 in the cylinder 11 with a liquid or gas. When the piston 10 moves along the channel 12, the medium flows from one cavity of the cylinder to another. The channels can be made in the piston 10. A damping device reduces the rate of change of the angle of inclination of the rotor.

Узел поворота 5 смонтирован на мачте 13, которая удерживается в вертикальном положении четырьмя растяжками 14. Вращение от ротора 1 через муфту 15 и редуктор 16 передается электрогенератору 17. При штиле и малой скорости ветра V_I шнековый ротор занимает положение I, а при большой скорости V_II - положение II.The turning unit 5 is mounted on the mast 13, which is held upright by four braces 14. The rotation from the rotor 1 through the clutch 15 and the gear 16 is transmitted to the electric generator 17. With a calm and low wind speed V _{I, the} screw rotor takes position I, and at high speed V _II - position II.

Консольный ветроагрегат работает следующим образом. При направлении ветра V поток обтекает мачту 13 и воздействует на шнековый ротор 1, установленный наклонно под углом α к горизонтальной плоскости. Давление ветра больше воздействует на участки лопастей, расположенные с одной стороны от оси ротора, и он начинает вращаться в подшипниковой опоре 4. Через муфту 15 и редуктор 16 ветроротор 1 приводит во вращение электрогенератор 17 и последний вырабатывает электроэнергию. Console wind turbine operates as follows. With the direction of the wind V, the stream flows around the mast 13 and acts on the screw rotor 1 mounted obliquely at an angle α to the horizontal plane. The wind pressure affects more on the sections of the blades located on one side of the rotor axis, and it begins to rotate in the bearing support 4. Through the clutch 15 and gear 16, the wind rotor 1 drives the generator 17 and the latter generates electricity.

При смене направления ветра на ротор 1 начинает действовать составляющая силы давления, нормальная к плоскости, образованной осью ротора 1 и осью узла поворота 5 (т.е. к плоскости чертежа). Под воздействием силы ротор 1 совместно со всеми элементами конструкции 4, 6 - 12 поворачивается в узле поворота 5 вокруг оси мачты до тех пор, пока это плоскость не будет направлена на ветер. When the wind direction changes on the rotor 1, a component of the pressure force begins to act, normal to the plane formed by the axis of the rotor 1 and the axis of the rotation unit 5 (i.e., to the drawing plane). Under the influence of force, the rotor 1 together with all structural elements 4, 6 - 12 rotates in the rotation unit 5 around the axis of the mast until this plane is directed towards the wind.

Аэродинамическая сила, действующая на шнековый ротор, может быть записана в виде
F_α= C_α0,5ρV²0,25πD²L_psinα, (1)
где C_α - аэродинамический коэффициент;
ρ, V - плотность воздуха и скорость ветра;
D, L_p - диаметр и длина ротора.The aerodynamic force acting on the screw rotor can be written as
F _α = C _α 0.5ρV ² 0.25πD ² L _p sinα, (1)
where C _α is the aerodynamic coefficient;
ρ, V - air density and wind speed;
D, L _p - the diameter and length of the rotor.

Направление силы F_α мало отличается от направления ветра, поэтому можно записать
β ≈ K_α, где K ≈ 1 (2)
Аэродинамическая сила относительно оси шарнира 6 создает момент сил
M_α= F_αl₁sinβ ≈ 0,125πC_αkρv²D²L_pl₁sin²α (3)
При малых скоростях ветра V_гэ момент M_α меньше момента сил, создаваемого весом ротора G
M_G= Gl₁cosα, (4),
т. е. M_α < M_G (моментом сил веса других элементов конструкции по сравнению с весом ротора пренебрегают). Поэтому ротор будет находиться в крайнем нижнем положении, а поршень 10 демпфирующего устройства 7 будет в крайнем верхнем положении и противодействует компенсирующим моментом
M_R= M_G-M_α, (5),
который создает силу реакции на демпфирующем устройстве
R = M_R/l₂, (6)
При отсутствии ветра момент аэродинамических сил равен нулю ((M_α= 0)) и компенсирующий момент будет равен создаваемому весом ротора моменту (M_R=M_G), т. е. он будет наибольшим. Поэтому при штиле конструкция ротора будет иметь наибольшие изгибающие моменты. С увеличением скорости ветра аэродинамическая сила F_α растет и согласно (3) увеличивается момент M_α и при некоторой скорости ветра V_o он становится равным моменту силы веса ротора M_G, в соответствии с (5) результирующий момент N_R = 0 и реакция демпфирующего устройства R = 0. В этом случае на ротор не действуют изгибающие моменты, он находится во взвешенном состоянии, как бы в невесомости: распределенная по длине ротора весовая нагрузка уравновешивается распределенной аэродинамической поддерживающей силой. С дальнейшим увеличением скорости ветра V > V_o момент аэродинамических сил M_α начнет превышать момент сил веса M_G и ротор начнет поворачиваться относительно оси шарнира 6, т.е. угол α уменьшится. Уменьшится также угол β. Поэтому произойдет изменение моментов согласно (3) и (4): M_G возрастет, а M_α упадет и при некотором новом угле α₁ снова наступит их равновесие. Поэтому ротор при всех скоростях ветра V > V_o будет находиться во взвешенном состоянии. Изгибающие моменты на него будут действовать только за счет инерционных сил во время изменения величины скорости ветра. Поэтому демпфирующее устройство 7 проектируется таким образом, чтобы угловое ускорение подъема или опускания ротора при изменении величины скорости ветра приводило к инерционным нагрузкам, которые будут создавать изгибающий момент, меньший, чем создает сила веса при штиле. Это обеспечивается выбором площади поршня и сечения каналов для перетока среды из одной полости цилиндра в другую.The direction of the force F _α differs little from the direction of the wind, so we can write
β ≈ K _α , where K ≈ 1 (2)
Aerodynamic force relative to the axis of the hinge 6 creates a moment of force
M _α = F _α l ₁ sinβ ≈ 0.125πC _α kρv ² D ² L _p l ₁ sin ² α (3)
At low wind speeds V _ge moment M _α less than the moment of forces created by the weight of the rotor G
M _G = Gl ₁ cosα, (4),
i.e., M _α <M _G (the moment of forces of the weight of other structural elements is neglected in comparison with the weight of the rotor). Therefore, the rotor will be in its lowest position, and the piston 10 of the damping device 7 will be in its highest position and counteracts the compensating moment
M _R = M _G -M _α , (5),
which creates a reaction force on a damping device
R = M _R / l ₂ , (6)
In the absence of wind, the moment of aerodynamic forces is zero ((M _α = 0)) and the compensating moment will be equal to the moment created by the weight of the rotor (M _R = M _G ), i.e. it will be the largest. Therefore, when calm, the rotor design will have the greatest bending moments. With increasing wind speed, the aerodynamic force F _α increases and according to (3), the moment M _α increases and at a certain wind speed V _o it becomes equal to the moment of the rotor weight M _G , in accordance with (5) the resulting moment N _R = 0 and the damping reaction devices R = 0. In this case, bending moments do not act on the rotor, it is in a suspended state, as if in zero gravity: the weight load distributed along the length of the rotor is balanced by the distributed aerodynamic support force. With a further increase in wind speed V> V _{o, the} moment of aerodynamic forces M _α will begin to exceed the moment of forces of weight M _G and the rotor will begin to rotate relative to the axis of the hinge 6, i.e. the angle α will decrease. The angle β also decreases. Therefore, the moment will change according to (3) and (4): M _{G will} increase, and M _α will fall, and at some new angle α ₁ , their equilibrium will again come. Therefore, the rotor at all wind speeds V> V _o will be in suspension. Bending moments on it will act only due to inertial forces during a change in the magnitude of the wind speed. Therefore, the damping device 7 is designed so that the angular acceleration of the raising or lowering of the rotor when changing the magnitude of the wind speed leads to inertial loads, which will create a bending moment less than that created by the weight of the calm. This is ensured by the choice of the area of the piston and the cross-section of the channels for the flow of medium from one cavity of the cylinder to another.

С дальнейшим увеличением скорости ветра угол наклона ротора α будут уменьшаться и при ураганной скорости ветра V_II ротор займет почти горизонтальное положение II. В этом положении, как и во всех предыдущих, ротор не будет испытывать изгибающих напряжений. Поэтому его конструкция не должна рассчитываться на ураганные ветры, вследствие чего консольно опирающийся ротор значительно легче ротора, опирающегося на две опоры. С уменьшением угла наклона консольного ротора α при возрастании скорости ветра в меньшей мере растет крутящий момент и число оборотов ротора. Подбором параметров ротора, демпфирующего устройства и нагрузки можно даже обеспечить стабилизацию числа оборотов при достижении определенной скорости ветра. Поэтому здесь не требуются дополнительные мероприятия по ограничению числа оборотов при ураганных ветрах. Вследствие этого конструкция консольного ветроагрегата и его обслуживание упрощаются. Эти свойства позволяют использовать энергию ветра и при больших скоростях, вследствие чего повышается энергетическая эффективность консольного ветроагрегата.With a further increase in wind speed, the angle of inclination of the rotor α will decrease and with a hurricane wind speed V _{II, the} rotor will occupy an almost horizontal position II. In this position, as in all previous ones, the rotor will not experience bending stresses. Therefore, its design should not be designed for hurricane winds, as a result of which the cantilever-supported rotor is much lighter than the rotor, supported by two supports. With a decrease in the angle of inclination of the cantilever rotor α with increasing wind speed, the torque and the number of revolutions of the rotor grow to a lesser extent. By selecting the parameters of the rotor, damping device and load, it is even possible to stabilize the speed when a certain wind speed is reached. Therefore, additional measures are not required here to limit the number of revolutions in hurricane winds. As a result, the design of the cantilever wind turbine and its maintenance are simplified. These properties allow the use of wind energy at high speeds, as a result of which the energy efficiency of the cantilever wind turbine is increased.

Итак, при изменении направления ветра шнековый ротор поворачивается в узле поворота 5 относительно вертикальной оси и ориентируется по ветру. При изменении величины скорости ротор поворачивается в шарнире 6 относительно горизонтальной оси. С увеличением скорости ветра наклон ротора к горизонту уменьшается, уменьшаются изгибающие нагрузки на него и стабилизируется число оборотов. So, when changing the direction of the wind, the screw rotor rotates in the rotation node 5 relative to the vertical axis and is oriented in the wind. When changing the magnitude of the speed of the rotor rotates in the hinge 6 relative to the horizontal axis. With an increase in wind speed, the inclination of the rotor to the horizon decreases, bending loads on it decrease, and the number of revolutions stabilizes.

Были проведены эксперименты при консольном расположении шнековых роторов диаметром 100 мм, 200 мм и 500 мм. Роторы вращались устойчиво при M_α< M_G и во взвешенном состоянии, когда M_α= M_G. Отрицательных явлений, вызванных консольным расположением ротора, не наблюдалось. Консольные ветроагрегаты целесообразно использовать на мощности от 1 кВт до нескольких десятков кВт.Experiments were conducted with the cantilever arrangement of screw rotors with a diameter of 100 mm, 200 mm and 500 mm. The rotors rotated stably when M _α <M _G and in suspension when M _α = M _G. Negative phenomena caused by the cantilever arrangement of the rotor were not observed. It is advisable to use cantilever wind turbines at a power of 1 kW to several tens of kW.

Claims

A cantilever wind turbine comprising a screw rotor inclined to the horizontal plane, which consists of a hub and screw blades fixed to it and mounted on an upper bearing support mounted on a mast with the possibility of rotation around its axis, characterized in that the upper bearing support is pivotally attached to the rotation unit , allowing the screw rotor to change the angle of inclination, and is connected with it by a damping device by means of hinges.