RU2132966C1

RU2132966C1 - Windmill electric generating plant

Info

Publication number: RU2132966C1
Application number: RU96118630A
Authority: RU
Inventors: А.С. Артамонов
Original assignee: Артамонов Александр Сергеевич
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1999-07-10

Abstract

FIELD: power generation by using energy of wind or plant operation as gas turbine in absence of wind. SUBSTANCE: plant has bearing structure in the form of tower with windmills arranged over its perimeter; windmills incorporate diffusers and have their flow path accommodating impulse turbines with wide concave blades. Nozzle assemblies are installed between turbines. Exhaust stage of multistage turbine is made in the form of windwheel or cylindrical nozzle mounted at open end of windmill. EFFECT: improved efficiency of wind energy utilization. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям и эксплуатации ветроэнергетических установок, имеющих широкий диапазон мощностей и возможность перехода на режим тепловой электростанции или теплового двигателя. The invention relates to the design and operation of wind power plants having a wide range of capacities and the ability to switch to a thermal power plant or a heat engine.

Известны ветроустановки роторного типа с вертикальным валом /см. кн. Ветроэнергетические установки. К. Н.Волков, М., 1978, с. 5-31/, содержащие вертикально установленный ротор с лопастями, вращающимися от напора ветра. Known wind turbines of the rotor type with a vertical shaft / see Prince Wind power plants. K. N. Volkov, M., 1978, p. 5-31 /, containing a vertically mounted rotor with blades rotating from the pressure of the wind.

Ветроустановки имеют невысокую удельную мощность, большие габариты, достигающие сотни метров по высоте и диаметра ротора в 80-120 м. Их мощность не превышает 20 тыс.кВт. Низкий КПД агрегатов /не более 30%/ не позволяет их широкого использования. Wind turbines have a low specific power, large dimensions, reaching hundreds of meters in height and a rotor diameter of 80-120 m. Their power does not exceed 20 thousand kW. The low efficiency of the units / not more than 30% / does not allow their widespread use.

Известны также ветроустановки пропеллерного типа, содержащие винт, башню и вспомогательное оборудование /см. также кн. К.Н.Волкова. Ветроэнергетические установки. М., 1978, с.5-31/. КПД таких установок не превышает 20%. При диаметре винта в 100 м мощность установки не более 4,0 тыс.кВт. В результате широкое применение таких агрегатов также ограничено. Propeller-type wind turbines are also known, containing a screw, a tower and auxiliary equipment / cm. also pr. K.N. Volkova. Wind power plants. M., 1978, p. 5-31 /. The efficiency of such installations does not exceed 20%. With a screw diameter of 100 m, the installation power is not more than 4.0 thousand kW. As a result, widespread use of such aggregates is also limited.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является ветроустановка роторного типа, содержащая ветродвигатель с диффузором, корпусом, в котором размещена многоступенчатая турбина с направляющими сопловыми аппаратами /1, 2/
Целью изобретения является повышение мощности ветроэлектростанции за счет более эффективного использования энергии ветра, а также обеспечение ее работы на энергии углеводородных топлив в периоды отсутствия ветра или его низкой скорости.The closest analogue to the claimed technical solution is a rotor-type wind turbine containing a wind turbine with a diffuser, a housing in which there is a multi-stage turbine with guide nozzle devices / 1, 2 /
The aim of the invention is to increase the power of the wind farm due to more efficient use of wind energy, as well as ensuring its operation on the energy of hydrocarbon fuels during periods of lack of wind or its low speed.

Поставленная в изобретении цель достигается за счет дополнительного снабжения ветродвигателя ветроэлектростанции струйным аппаратом-эжектором, выполненным в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, причем многоступенчатые турбины размещены последовательно друг с другом, а последняя ступень снабжена ветроколесом. Кроме того, поставленная в изобретении цель достигается за счет снабжения ветроэлектростанции воздухоподогревателями с топкой, компрессором и воздуховодом, а также выполнения рабочих поверхностей лопастей турбины корытообразного сечения. The goal of the invention is achieved by additionally supplying the wind turbine with an ejector jet made in the form of an annular nozzle placed coaxially relative to the housing, the multi-stage turbines being arranged in series with each other and the last stage equipped with a wind wheel. In addition, the goal set in the invention is achieved by supplying the wind farm with air heaters with a furnace, compressor and duct, as well as performing the working surfaces of the turbine blades of a trough-shaped section.

Из изложенного видно, что критерий "новизны" в заявляемом техническом решении заключается в новом конструктивном его исполнении, описанным новой совокупностью существенных признаков. It can be seen from the foregoing that the criterion of "novelty" in the claimed technical solution consists in its new constructive performance, described by a new set of essential features.

Таким образом, поступающий через диффузор воздух под напором ветра последовательно отдает свою кинетическую энергию на каждой ступени двигателя, в результате чего многократно повышается коэффициент использования энергии ветра, а значит и в конечном итоге и мощность всей ветроэлектростанции. Учитывая то, что поставленная в изобретении цель реализуется за счет новой совокупности существенных признаков, а именно дополнительной установки на ветродвигателе ветроэлектростанции эжектора, выполненного в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, а также за счет размещения многоступенчатых турбин последовательно друг за другом, правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость". Thus, the air entering through the diffuser under the pressure of the wind sequentially gives off its kinetic energy at each engine stage, as a result of which the coefficient of utilization of wind energy is increased many times, which means, ultimately, the power of the entire wind farm. Given that the goal of the invention is realized due to a new set of essential features, namely, the additional installation of an ejector in the form of an annular nozzle placed coaxially relative to the casing on the wind turbine, as well as due to the placement of multi-stage turbines in series with each other, the conclusion is right on the conformity of the claimed technical solution to the criterion of "industrial applicability".

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показан продольных разрез турбинного двигателя ветростанции,
на фиг.2 - продольный разрез ветроэлектростанции,
на фиг.3 - вид на башню сверху /размещенные на башне ветродвигатели/,
на фиг.4 - развертка по ветроколесу,
на фиг.5 - развертка по турбине и направляющему сопловому аппарату.The essence of the invention is illustrated by the drawing, where:
figure 1 shows a longitudinal section of a turbine engine of a wind farm,
figure 2 is a longitudinal section of a wind farm,
figure 3 is a view of the tower from above / placed on the tower wind turbines /,
figure 4 - scan for a wind wheel,
figure 5 - scan along the turbine and the guide nozzle apparatus.

Ветроэлектростанция состоит из энергетических установок-двигателей 1 /фиг. 2, 3/ и башни 2. Ветродвигатель 1 /фиг.1/ имеет проточную часть, содержащую направляющие сопловые аппараты 3, включающие в себя группу направляющих сопел 4, расположенных равномерно по окружности самого двигателя со своими направляющими 5, турбину активного типа 6 /фиг.5/ с широкими и длинными лопатками 7, корпус 8, диффузор 9, редуктор 10 и электрогенератор. Рабочая поверхность лопаток турбины имеет корытообразное сечение. Последняя ступень двигателя выполняется или с помощью установки ветроколеса 12 /фиг. 1,4/ с частым расположением лопастей 13 на бандаже 14, соединенным с подшипником 15 с помощью спиц 16 и вала 176, или в качестве варианта вместо ветроколеса может быть установлен эжектор в виде кольцевого сопла 18 в конце корпуса. К стенкам 19 сопла крепятся стойки 20, в которых размещен подшипник 21. Корпус ветродвигателя имеет пилон 22 /фиг.1/, с помощью которого двигатель шарнирно подвешен к балкам 23 /фиг.3/ башни 2. Сопло 18 крепится к корпусу 8 с помощью косынок 24 /фиг.1/. В диффузоре двигателя установлен эжектор в виде кольцевого сопла 25, периодически подключаемого к воздухоподогревателю 26, имеющему топку. Зона диффузора 27 при установке сопел 25 /в случае, если ветродвигатель рассчитан на комбинированный режим работы/ является смесительной камерой между нагретым и холодным воздухом, поступающим за счет всасывания из открытого конца диффузора 9. Для поступления воздуха в камеры сгорания 28 служат кольцевые щели 30. Камеры сгорания устанавливаются по окружности диффузора на заданном расстоянии друг от друга и от его стенок. К стойкам 20 двигателя крепятся консоли 31 с площадкой для установки редуктора 10 и генератора 11. Башня содержит колонны /в виде стоек/ 32, балки 23 и ригеля 33, опоры 34. Воздухоподогреватель имеет одно- или двухступенчатый компрессор 35. The wind farm consists of power plants-engines 1 / Fig. 2, 3 / and towers 2. The wind turbine 1 / Fig. 1/ has a flowing part containing guide nozzle devices 3, including a group of guide nozzles 4 located evenly around the circumference of the engine with its guides 5, an active type turbine 6 / Fig. .5 / with wide and long blades 7, casing 8, diffuser 9, gearbox 10 and electric generator. The working surface of the turbine blades has a trough-shaped section. The last stage of the engine is performed either by installing a wind wheel 12 / Fig. 1.4 / with the frequent arrangement of the blades 13 on the brace 14, connected to the bearing 15 by means of spokes 16 and shaft 176, or alternatively, an ejector in the form of an annular nozzle 18 at the end of the housing can be installed instead of a wind wheel. Racks 20 are mounted to the nozzle walls 19, in which the bearing 21 is placed. The wind turbine housing has a pylon 22 / Fig. 1/, with which the engine is hinged to the beams 23 / Fig. 3/ of the tower 2. The nozzle 18 is attached to the housing 8 with kerchief 24 / Fig. 1/. An ejector is installed in the engine diffuser in the form of an annular nozzle 25 periodically connected to an air heater 26 having a firebox. The zone of the diffuser 27 when installing nozzles 25 / in case the wind turbine is designed for a combined mode of operation / is a mixing chamber between the heated and cold air coming from the suction from the open end of the diffuser 9. For air to enter the combustion chambers 28, annular slots 30 are used. Combustion chambers are installed around the circumference of the diffuser at a given distance from each other and from its walls. Consoles 31 with a platform for mounting the gearbox 10 and generator 11 are attached to the engine struts 20. The tower contains columns / in the form of struts / 32, beams 23 and crossbar 33, supports 34. The air heater has a single or two-stage compressor 35.

Ветроэлектростанция работает следующим образом. Wind power works as follows.

В период работы станции на энергии ветра двигатели 1 устанавливаются на ветер с помощью электромеханического привода и датчиков /не показаны/. В результате воздух от силы ветра поступает в проточную часть многоступенчатой турбины двигателя, где кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию вала 17, который в свою очередь приводит во вращение редуктор 10 и генератор 11. Использование выходной скорости воздуха из первой ступени турбины во второй и последующих, обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра, а дополнительное размещение на корпусе 8 многоступенчатой турбины /струйного аппарата-эжектора 18/, выполненного в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, позволяет существенно повысить скорость воздушного потока на лопатках 7 корытообразного сечения турбин активного типа 6 и значительно повысить мощность многоступенчатой турбины. Снабжение предлагаемой конструкции ветродвигателями, расположенными на многоэтажной башне, обеспечивает возможность их использования в качестве газовой турбины. Это необходимо при отсутствии ветра или его небольшой скорости. С этой целью под башней устанавливается воздухоподогреватель с топкой и одно- или двухступенчатый компрессор для подачи сжатого воздуха в трубчатый воздухоподогреватель. В таком случае сжатый и нагретый воздух во время отсутствия ветра подается в двигатели по трубопроводам и поступает в кольцевые сопла двигателей /эжектор/, установленных в диффузорах, смешивается с подсасываемым воздухом из диффузора двигателя, поступает на турбины. При этом часть энергии от генератора турбины поступает в сеть, а другая частично отбирается на электродвигатель компрессора воздухоподогревателя станции. During the operation of the station on wind energy, the engines 1 are installed in the wind using an electromechanical drive and sensors / not shown /. As a result, air from the wind force enters the flowing part of the multi-stage turbine of the engine, where the kinetic wind energy is converted into mechanical energy of the shaft 17, which in turn drives the gearbox 10 and generator 11. The output air speed from the first turbine stage to the second and subsequent , provides an increase in the utilization of wind energy, and additional placement on the housing 8 of a multi-stage turbine / jet apparatus-ejector 18 /, made in the form of an annular nozzle, times placed coaxially relative to the housing, it can significantly increase the air flow rate on the blades 7 of the trough-shaped section of the active type 6 turbines and significantly increase the power of the multi-stage turbine. Supply of the proposed design with wind engines located on a multi-story tower provides the possibility of their use as a gas turbine. This is necessary in the absence of wind or its low speed. For this purpose, an air heater with a firebox and a one- or two-stage compressor for supplying compressed air to the tubular air heater are installed under the tower. In this case, compressed and heated air during the absence of wind is supplied to the engines through pipelines and enters the annular nozzles of the engines / ejector / installed in the diffusers, mixed with the intake air from the engine diffuser, and fed to the turbines. In this case, part of the energy from the turbine generator enters the network, and the other is partially taken to the compressor motor of the station’s air heater.

В случае необходимости форсирования двигателя (например, в целях увеличения мощности) в диффузоре устанавливаются камеры сгорания 28. If it is necessary to force the engine (for example, in order to increase power), combustion chambers 28 are installed in the diffuser.

Снабжение последней ступени многоступенчатой турбины ветроколесом также способствует повышению мощности ветродвигателя, так как в обоих устройствах - эжекторе и ветроколесе используется один и тот же источник энергии - воздушный поток, обтекающий корпус многоступенчатой турбины. Providing the last stage of a multistage turbine with a wind wheel also contributes to increasing the power of the wind turbine, since both devices - an ejector and a wind wheel use the same energy source - the air stream flowing around the body of the multistage turbine.

Известно, что при увеличении скорости V воздуха на лопатках турбины вдвое повышается в восемь раз мощность ветродвигателя за счет известной в технике зависимости мощности от скорости потока воздуха в третьей степени:
N=0,000833•F•V³•E•K_I,
где E - коэффициент использования ветра;
K_I - механический КПД
Поэтому при увеличении скорости воздуха, например, с 5 м/сек до 6 м/сек мощность двигателя повышается в n=6³/5³=216/125, т.е. более чем в 1,7 раза.It is known that with an increase in the air speed V on the turbine blades, the power of the wind turbine doubles eight times due to the power dependence on the air flow velocity in the third degree, known in the art:
N = 0.000833 • F • V ³ • E • K _I ,
where E is the wind utilization factor;
K _I - mechanical efficiency
Therefore, by increasing the velocity of the air, for example, from 5 m / sec to 6 m / sec engine power increases n = ^{^{6 3/5 3 = 216/}} 125 , i.e. more than 1.7 times.

Кроме того, скорость ветра с увеличением высоты H увеличивается в следующей зависимости:

где V₁₀ - скорость ветра на высоте флюгера;
m - показатель степени, зависящий от класса устойчивости атмосферы и шероховатости сушки (m=0,17-0,24).In addition, the wind speed with increasing height H increases in the following relationship:

where V ₁₀ - wind speed at the height of the weather vane;
m is an exponent depending on the stability class of the atmosphere and the drying roughness (m = 0.17-0.24).

В результате чего последовательное расположение двигателей по высоте башни 2 обеспечивает существенный рост их мощности с высотой и значительное повышение мощности всей ветроэлектростанции. As a result, the sequential arrangement of the engines along the height of the tower 2 provides a significant increase in their power with height and a significant increase in the power of the entire wind farm.

Важной особенностью работы электростанции комбинированного типа является возможность получения электроэнергии тогда, когда не только дует ветер, но и при его небольшой скорости или полном отсутствии за счет использования энергии традиционных углеводородных топлив. An important feature of the operation of a combined type power plant is the possibility of generating electricity when not only the wind blows, but also at its low speed or complete absence due to the use of energy from traditional hydrocarbon fuels.

Эта особенность работы ВЭС позволяет отказаться от зависимости получения электроэнергии от ветра, а также от вспомогательных двигателей-генераторов или громоздких аккумуляторов энергии, используемых на существующих ветроустановках в периоды безветрия. This feature of the wind farm allows you to abandon the dependence of electricity from the wind, as well as from auxiliary engines, generators or bulky energy batteries used in existing wind turbines during periods of calm.

В обоих случаях сопло 25 и камеры сгорания 28 являются рабочими соплами струйного аппарата, каким является диффузор 9 и камера 27, которые обеспечивают инжектирование атмосферного воздуха через входное отверстие диффузора 9. In both cases, the nozzle 25 and the combustion chamber 28 are the working nozzles of the jet apparatus, which is a diffuser 9 and a chamber 27, which provide injection of atmospheric air through the inlet of the diffuser 9.

Использование ветроэлектростанции новой конструкции обеспечивает:
- возможность работы и получения электроэнергии тогда, когда не только дует ветер, но и при его полном отсутствии или низкой скорости;
- высокий коэффициент использования энергии ветра, превышающий 80%, обеспечивает более высокую удельную мощность ветродвигателей по сравнению с любыми типами известных аналогов или прототипа в результате применения не только многоступенчатой турбины, но и струйного аппарата и последней ступени турбины в виде ветроколеса;
- значительно более высокая мощность ветродвигателей ВЭС по сравнению с аналогами и прототипами, главным образом (по сравнению с прототипом) в результате использования энергии воздушного потока, генерируемого ветром, обтекающего корпус двигателя;
- расположение ветродвигателей на многоэтажной башне позволяет реализовать и использовать для увеличения мощности электростанции особенность движения ветра, скорость которого монотонно повышается с высотой;
- в общем годовом балансе работы ВЭС (на энергии ветра и энергии топлива) достигается значительное сокращение выброса в атмосферу твердых, жидких и газообразных веществ, способствующих загрязнению атмосферы и парниковому эффекту, а также нагреву окружающей среды сбросным теплом, присущим чисто тепловым электростанциям. Достигается наиболее результативное использование энергии ветра совместно с использованием природных топлив;
- более высокая скорость движения воздуха при ветре в проточной части многоступенчатой турбины за счет использования эжектора позволяет повысить частоту вращения турбины и тем самым использовать электрические генераторы с более низкой стоимостью (или упрощается редуктор);
- в часы "пик" электрической нагрузки в сети обеспечивается возможность форсирования двигателей и повышение их мощности при работе в режиме газовой турбины;
- высокая удельная мощность ветродвигателей обеспечивает меньшую металлоемкость и компактность ВЭС, а отсутствие вспомогательных силовых установок-генераторов электрической энергии в периоды безветрия, на базе дизельных двигателей или различных громоздких аккумуляторов энергии - обеспечивает снижение стоимости строительства ветроэлектрической станции и стоимости одного киловатт-часа при эксплуатации.The use of a new design wind farm provides:
- the ability to work and receive electricity when not only the wind blows, but also with its complete absence or low speed;
- a high coefficient of utilization of wind energy, exceeding 80%, provides a higher specific power of wind turbines in comparison with any types of known analogues or prototype as a result of using not only a multi-stage turbine, but also a jet device and the last stage of the turbine in the form of a wind wheel;
- significantly higher power of wind turbines of wind farms in comparison with analogues and prototypes, mainly (compared with the prototype) as a result of using the energy of the air flow generated by the wind flowing around the engine body;
- the location of wind motors on a multi-story tower allows you to implement and use to increase the power of the power plant a feature of the movement of the wind, the speed of which monotonously increases with height;
- in the overall annual balance of wind farm operations (on wind and fuel energy), a significant reduction in the emission of solid, liquid and gaseous substances into the atmosphere, contributing to atmospheric pollution and the greenhouse effect, as well as heating the environment with waste heat inherent in pure thermal power plants, is achieved. The most efficient use of wind energy is achieved together with the use of natural fuels;
- a higher speed of air movement in the wind in the flow part of a multi-stage turbine through the use of an ejector makes it possible to increase the frequency of rotation of the turbine and thereby use electric generators with a lower cost (or the gearbox is simplified);
- during peak hours of the electric load in the network, it is possible to force the engines and increase their power when operating in the gas turbine mode;
- the high specific power of wind turbines provides lower metal consumption and compactness of wind farms, and the absence of auxiliary power plants-generators of electric energy during periods of calm, on the basis of diesel engines or various bulky energy accumulators - provides a reduction in the cost of building a wind power station and the cost of one kilowatt hour during operation.

Claims

1. A wind power plant containing a supporting structure, a multi-stage turbine, nozzle devices, a diffuser, a gearbox with an electric generator, characterized in that the supporting structure is made in the form of a tower, along the perimeter of which wind motors with a diffuser are installed, the flow part of which is made in the form of a multi-stage turbine with active turbines type with wide concave blades with nozzle devices installed between them, and the last stage of a multi-stage turbine is made in the form of a wind wheel or cylindrical nozzle mounted at the end of the open end of the wind turbine around its body.

2. The wind farm according to claim 1, characterized in that an annular nozzle is installed in the diffuser of the wind turbine, periodically connected to an air heater with a furnace.

3. The wind farm according to claim 1 or 2, characterized in that in the diffuser of the wind turbine there are placed combustion chambers closed on one side with a nozzle and spark plug.

4. A wind farm according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the wind turbines are placed around the perimeter outside and inside the tower.