RU2118704C1

RU2118704C1 - Windmill

Info

Publication number: RU2118704C1
Application number: RU94023397A
Authority: RU
Inventors: Вадим Николаевич Пикуль
Original assignee: Вадим Николаевич Пикуль
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1998-09-10

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: windmill has air-stream guide mechanisms. Draft tower has two outlets and is built up of internal diffuser incorporating turbine and mounted on top edge of bell mouth which is at bottom of tower channel, as well as head-structure tube, and concavo-convex shell. The latter is placed around diffuser with annular clearance between them and its convex part is tangentially coupled with bottom belt of head-structure tube. Angle of impact between ejecting channels of head structure and tube walls is greater than angle of conjugation between bottom belt of tube and shell. Concave part of shell rests on concave surface of bell mouth through its vertical plates radially arranged relative to turbine shaft and forms, together with concave surface of bell mouth, outlet slit. Edge of this annular nozzle faces inlet rack of air intake guide ring. Windmill is charged with air not only through channels of rear section of guide ring but also through those located on front side. This air charging provides for using energy of very weak winds. Head structure is reduced in size and becomes more streamlined. This is important in case of gust, storm, or severe hurricane. EFFECT: improved wind utilization factor. 2 cl, 2 dwg

Description

Данная разработка относится к ветроэнергетике и касается ветродвигателей с направляющими устройствами для воздушного потока. Иначе говоря, захват горизонтальных течений при рабочем направлении снизу вверх. This development relates to wind energy and relates to wind turbines with guiding devices for air flow. In other words, the capture of horizontal currents in the working direction from the bottom up.

Известен проект ветродвигателя "ВНИП-2". Того, что содержит вытяжную башню с нижним кольцевым воздухозаборником, включающим спиральные каналы и сопряженным с башенным трактом при помощи раструба этой башни, а также воздушную турбину на вертикальном валу в упомянутом тракте и эжектирующий оголовок. Последний охватывает вершину башни-трубы своими каналами. Они одинаковы, суживаются во всех румбов к оси башенного тракта и изогнуты выходными участками кверху. Словом, встречаются со стенками трубы под весьма острым углом. Known design of the wind turbine "VNIP-2". The one that contains an exhaust tower with a lower annular air intake, including spiral channels and paired with the tower path using the bell of this tower, as well as an air turbine on a vertical shaft in the said path and an ejection tip. The latter covers the top of the pipe tower with its canals. They are the same, taper in all points to the axis of the tower tract and are curved upwards by the exit sections. In a word, they meet with the walls of the pipe at a very sharp angle.

Турбина этого ветряка вращается под воздействием напора воздушного вихря снизу и разрежения среды, образуемого ветровым эжектором на верху двигателя. Ветряк совсем не имеет подвижных частей снаружи и дает возможность вырабатывать электроэнергию при шквалах, крепком ветре и в штормовую погоду. Эксплуатация такой машины чрезвычайно проста (а.с. SU, N 1657723, 1989 г., по кл. F 03 D 3/04). The turbine of this windmill rotates under the influence of the pressure of the air vortex from below and the rarefaction of the medium formed by the wind ejector at the top of the engine. The windmill does not have any moving parts outside and makes it possible to generate electricity during squalls, strong winds and in stormy weather. The operation of such a machine is extremely simple (AS SU, N 1657723, 1989, according to CL F 03 D 3/04).

Недостаток описанного проекта - аналога? Подветренные каналы воздухозаборника бездействуют. Отсюда немалая доля энергии ветра при контакте с конструкцией не утилизируется. Для поддержания требуемой частоты вращения ротора электрогенератора отпадает вероятность использования даже свежего ветра. К тому же, слишком острый угол встречи каналов эжектора со стенками башни мало способствует работе двигателя и только увеличивает лобовое сопротивление оголовка. The disadvantage of the described project is the analogue? The lee channels of the air intake are inactive. Hence, a considerable proportion of wind energy in contact with the structure is not disposed of. To maintain the required rotational speed of the rotor of the generator, there is no chance of using even fresh wind. In addition, too sharp a meeting angle of the ejector channels with the walls of the tower contributes little to the engine and only increases the head drag.

Чтоб хоть частично снять проблему, был создан второй проект рассмотренного ветродвигателя. Усовершенствованию здесь подвергся кольцевой заборник. Были введены пластинчатые выступы и направляющее кольцо. Расположено оно снаружи башенного раструба, концентрично последнему и связано с ним при помощи указанных пластин. Эти пластинчатые выступы имеют серповидный профиль, а кольцо своей вогнутой, струеповоротной стороной и пластинами охватывает кромку раструба, которая тут выполнена скругленной. И еще. To at least partially remove the problem, a second draft of the considered wind turbine was created. Improvement has undergone an annular intake. Lamellar protrusions and a guide ring were introduced. It is located outside the tower bell, concentrically to the latter and connected with it using the indicated plates. These lamellar protrusions have a crescent profile, and the ring with its concave, jet-turning side and plates covers the edge of the socket, which is here made rounded. And further.

Пластины выставлены равномерно по кругу и в плоскостях, радиальных к оси башенного тракта. Пластинчатые выступы плавно подстыкованы к вертикальным перегородкам заборника... А что в результате? Ветер захватывается не только фронтальными каналами. Некие воздушные токи стали затекать и в подветренные спиральные проходы. Способствует этому то, что верхний торец поворотного кольца возвышен над скругленной кромкой раструба, а нижний торце разделяет входную решетку упомянутых каналов на два яруса. The plates are aligned evenly in a circle and in planes radial to the axis of the tower path. Lamellar protrusions smoothly docked to the vertical walls of the fence ... And what is the result? The wind is captured not only by the front channels. Some air currents began to flow into the leeward spiral passages. This is facilitated by the fact that the upper end of the rotary ring is elevated above the rounded edge of the socket, and the lower end divides the input grille of the said channels into two tiers.

Перепад давлений на турбинных лопатках увеличивается и выравнивается по времени ветровых дуновений. Возникает возможность утилизировать энергию не только свежего ветра, но и умеренного. Воспринимать дуновения с любого румба, причем автоматически и без всякого рода поворотных механизмов. (а.с. SU, N 1765492, 1990 г., по кл. F 03 D 3/04). The pressure drop across the turbine blades increases and equalizes with the time of wind blows. There is an opportunity to utilize the energy of not only fresh wind, but also moderate. Perceive blows from any rumba, moreover, automatically and without any kind of rotary mechanisms. (A.S. SU, N 1765492, 1990, according to CL F 03 D 3/04).

К недостатку проекта - прототипа следует отнести неспособность крупного двигателя вырабатывать электроэнергию как при слабых ветрах, так и безотказно утилизировать силу верховых потоков атмосферного воздуха во время урагана. Почему? Из-за трудности подъема холодных воздушных масс в вертикальном тракте большой высоты. Уж слишком много энергии восходящего вихря тратится при этом. The disadvantage of the prototype project is the inability of a large engine to generate electricity both in light winds and the failure to utilize the strength of the upper air currents during a hurricane. Why? Due to the difficulty of lifting cold air masses in a vertical path of high altitude. Too much upstream energy is wasted.

Другими словами - чем крупней ветряк ВНИП-2, тем меньше соотношение его высотного размера к диаметральному габариту. Что этому способствует? Весьма небольшая равномерность и плотность энергий в каналах поворотного кольца. Тем паче, что наветренный сектор последнего не работает вовсе! А кроме того? Оголовок известной компоновки чрезмерно громоздок и обладает очень плохой обтекаемостью. Значит? Лобовое сопротивление эжектора на высоте, где ураганный ветер особо силен, возрастает до опасных значений ... In other words, the larger the VNIP-2 windmill, the lower the ratio of its height to diameter. What contributes to this? Very little uniformity and energy density in the channels of the rotary ring. Moreover, the windward sector of the latter does not work at all! And besides that? The tip of the known layout is excessively bulky and has very poor streamlining. So? The frontal resistance of the ejector at a height where the hurricane wind is especially strong increases to dangerous values ...

Двигатель же ориентирован преимущественно именно на такие воздушные течения, на большие мощности. На комбинирование с солнечными элементами, которые удобно размещать вокруг башенного ствола между заборником и оголовком. Очевидно, что решать эти проблемы лучше комплексно. The engine is focused primarily on such air currents, at high power. For combination with solar cells, which are conveniently placed around the tower barrel between the fence and the tip. Obviously, solving these problems is better comprehensively.

Итак, целью настоящей разработки является увеличение коэффициента использования энергии ветра и надежности двигателя ВНИП-2. Расширение диапазона действия и мощности на ветрах, как слабых, так и ураганных, путем подъема масс холодного воздуха в башенном тракте одновременно на два высотных уровня. С тем, чтоб частично разгрузить оголовок, сделать его менее громоздким. С тем, чтобы интенсифицировать работу поворотного кольца. So, the purpose of this development is to increase the coefficient of use of wind energy and the reliability of the VNIP-2 engine. Expanding the range of action and power in winds, both weak and hurricane, by raising masses of cold air in the tower tract simultaneously at two altitude levels. In order to partially relieve the head, make it less bulky. In order to intensify the work of the rotary ring.

Цель достигается посредством ветродвигателя ВНИП-2, содержащего вытяжную башню-трубу с нижним воздухозаборником, у которого струеповоротные спиральные каналы сообщены с вертикальным башенным трактом при помощи раструба, воздушную турбину на вертикальном валу в этом тракте и эжектирующий оголовок, охватывающий вершину трубы своими каналами, суживающимися со всех румбов к оси башенного тракта, изогнутыми выходными участками кверху и встречающимися этими участками под острым углом. The goal is achieved by means of a VNIP-2 wind turbine containing an exhaust tower-pipe with a lower air intake, in which the jet-rotary spiral channels are in communication with a vertical tower tract using a bell, an air turbine on a vertical shaft in this tract and an ejection head covering the pipe top with its channels narrowing from all points to the axis of the tower tract, curved exit sections up and meeting these sections at an acute angle.

Предусмотрено в названном ветряке и направляющее кольцо. Оно выполнено с серповидным струеповоротным профилем на вогнутой стороне и охватывает скругленную кромку раструба. При этом соединено кольцо с раструбом и спиральными каналами радиальными к турбинному валу выступами вертикальных перегородок того воздухозаборника. Причем верхний торец кольца возвышен над скругленной кромкой раструба, а нижний торец разделяет входную решетку спиральных каналов на два яруса. The guide ring is also provided in the named windmill. It is made with a crescent jet-turning profile on the concave side and covers the rounded edge of the socket. In this case, a ring is connected with a bell and spiral channels radial to the turbine shaft by the protrusions of the vertical partitions of that air intake. Moreover, the upper end of the ring is elevated above the rounded edge of the socket, and the lower end divides the input lattice of the spiral channels into two tiers.

Отличается ветродвигатель тем, что его вытяжная башня выполнена со вторым выходом. Расположено же раздвоение башенного тракта на уровне, возвышающемся над турбиной. При этом башня составлена из внутреннего диффузора, сопряженного с верхним срезом раструба, из оголовочной трубы, которая по диаметру меньше диффузора, и еще вогнутовыпуклой обечайки, охватывающей диффузор с круговым зазором и своим выпуклым ярусом сопряженной с нижним поясом оголовочной трубы тангенциально. Причем вогнутый ярус обечайки с помощью вертикальных и расположенных радиально к валу пластин опирается на вогнутую поверхность раструба и вместе с ней образует выходную щель-дюзу. Эта круговая дюза цилиндрическим срезом обращена к входной решетке направляющего кольца. The wind turbine differs in that its exhaust tower is made with a second exit. The bifurcation of the tower tract is located at a level towering above the turbine. In this case, the tower is composed of an internal diffuser, conjugated with the upper cut of the socket, of a head pipe, which is smaller in diameter than the diffuser, and also a concave-convex shell, covering the diffuser with a circular gap and its convex tier conjugated with the lower belt of the head pipe tangentially. Moreover, the concave tier of the shell with the help of vertical and radially arranged to the shaft of the plates rests on the concave surface of the bell and together with it forms the output slot-nozzle. This circular nozzle has a cylindrical cut facing the inlet grille of the guide ring.

При этом кромка верхнего торца диффузора скруглена, а кромка нижнего среза оголовочной трубы заострена и заглублена в тракт указанного диффузора. Причем кромка диффузорного торца скруглена сильней, чем кромка раструба. Угол же встречи каналов оголовка со стенкой трубы больше угла сопряжения нижнего пояса упомянутой трубы с обечайкой. При этом выходная щель по внешнему диаметру меньше раструба, а по высотному размеру уступает возвышению верхнего торца кольца над скругленной кромкой раструба. Причем кольцевой тракт, образованный зазором между диффузором и обечайкой, по живому сечению и высоте меньше оголовочной трубы. Незначительно!
Работает двигатель так. Ветровые токи вторгаются в окна входных решеток как заборника, так и эжектирующего оголовка. Причем, если эжектор тут срабатывает под воздействием верхних атмосферных течений и лишь каналами наветренного сектора, то заборник подставляет под околоземные потоки еще и подветренные входы. Словом, и те входы, что фронтальны, и те, которые у прототипа находились в тени.In this case, the edge of the upper end of the diffuser is rounded, and the edge of the lower cut of the head pipe is pointed and deepened into the path of the specified diffuser. Moreover, the edge of the diffuser end is rounded stronger than the edge of the socket. The angle between the channels of the head and the wall of the pipe is greater than the angle of conjugation of the lower zone of the pipe with the shell. In this case, the exit slit is smaller than the bell in the outer diameter, and is inferior in height to the elevation of the upper end of the ring above the rounded edge of the bell. Moreover, the annular path formed by the gap between the diffuser and the shell, in terms of live section and height, is less than the head pipe. Slightly!
The engine works like this. Wind currents invade the windows of the intake grilles of both the intake and the ejection head. Moreover, if the ejector here is triggered by the influence of the upper atmospheric currents and only by the channels of the windward sector, then the intake also substitutes the leeward entrances under the near-earth flows. In a word, both the inputs that are frontal and those of the prototype were in the shade.

Воздушные струи, покидающие наветренные каналы оголовка, образуют здесь скоростной "козырек", отсасывающий среду из тракта трубы. Увеличенный наклон каналов эжектора способствует процессу. Струи ж воздуха, закрученные на входе в турбину, быстро вращают колесо последней. Стекая с турбинных лопаток в виде остаточного вихря, они распределяются по обоим трактам выхода. Центральная воздушная масса взмывает ввысь по оголовочной трубе. Периферийные ж завихрения затекают в кольцевой зазор. В тот, что - между диффузором и обечайкой. Потери ____→ 0.
При этом крутка токов воздуха с приближением к дюзе усмиряется. В том числе и посредством радиальных пластин. В результате этого на входе буквально всех поворотных каналов кольца создается легкий наддув. Причем при слабых ветрах щелевая дюза генерирует эжектирующие струйки. Они подсасывают окружающую среду в "затененные" спиральные каналы.The air jets leaving the windward channels of the tip form here a high-speed “peak”, which sucks the medium out of the pipe path. The increased inclination of the ejector channels contributes to the process. The jets of air swirling at the entrance to the turbine quickly rotate the wheel of the latter. Draining from the turbine blades in the form of a residual vortex, they are distributed along both exit paths. The central air mass soars up through the head tube. The peripheral vortices flow into the annular gap. In the one between the diffuser and the shell. Loss ____ → 0.
In this case, the twist of the air currents with approaching the nozzle is pacified. Including through radial plates. As a result of this, at the entrance of literally all of the rotary channels of the ring, a light boost is created. Moreover, with light winds, a crevice nozzle generates ejective streams. They suck the environment into shaded spiral channels.

Второй выход башенного тракта с направлением вниз частично разгружает оголовок от ураганных ветров и интенсифицирует работу. Причем не только эжектора, но и направляющего кольца. По другому говоря, полюс ветровых нагрузок на конструкцию тут снижен! Двигатель обретает способность улавливать наиболее скоростные верховые ветры без ущерба для своей надежности. Диапазон ветроиспользования расширен. От слабых дуновений до урагана. Причем без помощи других энергоисточников. Данная компоновка не исключает взаимодействия заборника с кольцевой камерой переброса ветровых токов в теневую зону направляющего кольца (см. заявку N 9-3027450). The second exit of the tower tract with a downward direction partially unloads the tip from the hurricane winds and intensifies the work. And not only the ejector, but also the guide ring. In other words, the pole of wind loads on the structure is reduced here! The engine gains the ability to pick up the fastest high winds without compromising its reliability. The range of wind use is expanded. From light blows to a hurricane. And without the help of other energy sources. This arrangement does not exclude the interaction of the intake with the annular chamber transfer wind currents into the shadow zone of the guide ring (see application N 9-3027450).

Конструктивная схема представлена на чертеже. Общий вид ветряка - на фиг. 1. Фиг. 2 иллюстрирует узел, состоящий из обечайки и ее пластин. Двигатель содержит вытяжную башню с воздухозаборником 1 (фиг. 1)внизу и турбину 2. Заборник 1 оснащен направляющим кольцом 3. турбина ж своим валом сцеплена с электрогенератором 4. Башня на нижнем уровне составлена из раструба 5, диффузора 6, что возвышен над раструбом, и вогнуто-выпуклой обечайки 7 (см. фиг. 1 и 2). The structural diagram is shown in the drawing. General view of the windmill - in FIG. 1. FIG. 2 illustrates an assembly consisting of a shell and its plates. The engine contains an exhaust tower with an air intake 1 (Fig. 1) at the bottom and a turbine 2. The intake 1 is equipped with a guide ring 3. The turbine is coupled to an electric generator 4 with its shaft. The tower at the lower level is composed of a bell 5, a diffuser 6 that is raised above the bell, and concave-convex shell 7 (see Fig. 1 and 2).

Обечайка охватывает диффузор с круговым зазором "в" и посредством пластин 8 скреплена с раструбом, образуя круговую дюзу "д". Вверху башня представлена трубой 9, которая нижним поясом соединена с выпуклым ярусом обечайки. Верхняя часть трубы несет эжектирующий оголовок 10. Он уменьшен. Угол α, образованный путем встречи каналов оголовка с трубой, в два раза больше угла β. Последний образован между краем выпуклости обечайки и поясом оголовочной трубы. И еще. The shell covers a diffuser with a circular clearance “c” and, by means of plates 8, is fastened with a bell, forming a circular nozzle “d”. At the top of the tower is represented by a pipe 9, which is connected by a lower belt to the convex tier of the shell. The upper part of the pipe carries an ejection head 10. It is reduced. The angle α formed by the meeting of the channels of the head with the pipe is two times larger than the angle β. The latter is formed between the edge of the convexity of the shell and the belt of the head tube. And further.

R > r,
где
r - радиус скругления кромки раструба,
R - радиус скругления кромки внутреннего диффузора.R> r
Where
r is the radius of the rounding of the edge of the socket,
R is the radius of the rounding of the edges of the internal diffuser.

Необходимость этого требования обуславливается тем, что второй выход башенного тракта, как и первый, не должен создавать турбине подпора. Чтоб живое сечение кольцевого тракта определялось исключительно круговой дюзой "д". The need for this requirement is due to the fact that the second output of the tower tract, like the first, should not create a backwater turbine. So that the live section of the annular tract is determined exclusively by the circular nozzle "d".

Ветер при этом взаимодействует с башней двигателя в четырех прежних уровнях. Направление набегающих воздушных токов обозначено на фиг. 1 светлыми стрелками "е". Вторгаясь в каналы заборника 1, струи ускоряются, закручиваются и тем самым вращают турбинное колесо 2. At the same time, the wind interacts with the engine tower in four former levels. The direction of incident air currents is indicated in FIG. 1 bright arrows "e". Invading the channels of the intake 1, the jets are accelerated, twisted and thereby rotate the turbine wheel 2.

Далее направление токов указано сплошными черными стрелками "д". Причем воздух, оказавшийся в тракте "в", вторгается в щелевую дюзу "д". Тем временем козырьковая струя "к" оголовка 10 эжектирует среду из трубы 9 по стрелке "м". Из круговой же щели струйки "и" затекают в поворотные каналы кольца 3. Не только с подветренной стороны, но и в каналы фронтального сектора. Further, the direction of the currents is indicated by solid black arrows "d". Moreover, the air trapped in the "c" path invades the slotted nozzle "d". Meanwhile, the visor jet “k” of the head 10 ejects the medium from the pipe 9 along the arrow “m”. From the circular slit, trickles "and" flow into the rotary channels of the ring 3. Not only from the leeward side, but also into the channels of the frontal sector.

Это создает условия для усиления вихря на входе в турбину, что особо существенно при слабом ветре. А при урагане? Относительно небольшой и более обтекаемый оголовок не будет создавать значительного лобового сопротивления. Оголовочная труба сможет подыматься ввысь без опасений. Как по части прочности, так и относительно подпора со стороны турбинного выхода. Словом, диапазон работы ветряка расширяется. This creates the conditions for amplification of the vortex at the entrance to the turbine, which is especially important in light winds. What about a hurricane? A relatively small and more streamlined head will not create significant drag. The head pipe can climb up without fear. Both in terms of strength and relative to the back pressure from the turbine outlet. In short, the range of the windmill is expanding.

Claims

1. Wind turbine VNIP-2u, containing an exhaust tower-pipe with a lower air intake, in which spiral channels are in communication with a vertical tower path using a bell, an air turbine on a vertical shaft in the same path and an ejection head covering the top of the pipe with its channels, curved outlet sections up and those sections meeting the walls of the tower at an acute angle, as well as a guide ring with a crescent jet-turning profile on the concave side, covering the rounded edge of the bell and connected to the last and spiral channels through the protrusions of the vertical walls of the intake, radial to the turbine shaft, the upper end of the ring being raised above the rounded edge of the bell, and the lower one divides the input lattice of the spiral channels into two tiers, characterized in that the exhaust tower is made with a second exit, and the bifurcation the tower tract for this reason is implemented at a level towering above the turbine, while the tower is composed of an internal diffuser, coupled with the upper cut of the socket, from the head pipe, which is smaller in diameter than the diffuser, and a concave-convex shell, covering the diffuser with a circular gap and its convex tier conjugated to the lower belt of the head pipe tangentially, and the concave shell tier is supported by vertical plates radially located to the shaft of the socket and together with it forms an output slit-nozzle, which with its cylindrical cut faces the entrance lattice of the guide ring.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that said slit nozzle is circular, and the outer diameter of the nozzle is smaller than the bell and is inferior in height to the elevation of the upper end of the guide ring above the rounded edge of the bell, while the edge of the upper end of the diffuser is rounded, and the edge of the lower cut of the head pipe is pointed and deepened into the path of the said diffuser, the edge of the diffuser path being rounded more strongly than the edge of the socket, the angle of meeting of the channels of the head with the pipe wall is greater than the mating angle tion of the lower belt of the specified pipe with a shell.