RU2135824C1

RU2135824C1 - Windmill rotor

Info

Publication number: RU2135824C1
Application number: RU96118061A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Обухов
Original assignee: Гомельский межотраслевой кооперативный научно-технический центр "НЕОТЕХ"
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: rotor of windmill has at least two C-shaped blades secured on vertical shaft for turning on parallel crossmembers rigidly coupled with vertical shaft. Point of blade fixing is on blade symmetry axis behind its gravity center in direction from top of blade C-shaped profile. Blades is coupled in like points with other blade by at least one hinged tie-rod. Each blade is connected by means of flexible member and tension tie-rod with at least one of crossmembers through bracket rigidly connected with blade. length 1 of bracket should comply with the following equation: l>(F_max-F_min)•F_max/F_min where F_max is maximum deformation of flexible member, and F_min is minimum deformation of flexible member. EFFECT: enhanced efficiency of windmill control and its reliability, reduced labour input in manufacturing, servicing and repairing. 2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторов ветродвигателей. The invention relates to wind energy and relates to rotors of wind turbines.

Известен многоярусный ветродвигатель, содержащий закрепленные на вертикальном валу лопастные колеса и направляющие аппараты, размещенные вдоль вала коаксиально ему [1]. Known multi-level wind turbine containing impellers mounted on a vertical shaft and guide vanes placed along the shaft coaxially to it [1].

Известен карусельный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал и радиальные лопасти, каждая из которых выполнена в виде прикрепленной к валу рамы и установленных в ней с возможностью поворота относительно горизонтальных осей параллельных пластин [2]. Known rotary wind turbine containing a vertical shaft and radial blades, each of which is made in the form of a frame attached to the shaft and installed in it with the possibility of rotation relative to the horizontal axes of the parallel plates [2].

Известен ветродвигатель с вертикальным установленным на подшипниках валом и закрепленным на нем рабочим колесом, которое выполнено составным из аэродинамических профилей, установленных параллельно валу с возможностью поворота вокруг осей. В исходном состоянии аэродинамические профили примыкают один к другому и образуют C-образные лопасти рабочего колеса (ротора) ветродвигателя [4]. Known wind turbine with a vertical shaft mounted on bearings of the shaft and mounted on it by the impeller, which is made up of aerodynamic profiles mounted parallel to the shaft with the possibility of rotation around the axes. In the initial state, the aerodynamic profiles adjoin one another and form C-shaped blades of the impeller (rotor) of the wind turbine [4].

Общим недостатком вышеописанных устройств является изменение числа оборотов ротора ветродвигателя в широких пределах, зависящее от силы ветра, и склонность к неограниченному разгону при сильном ветре, что ведет к необходимости создания значительных запасов прочности и их переутяжелению. A common drawback of the above devices is the wide variation in the number of revolutions of the rotor of the wind turbine, depending on the strength of the wind, and the tendency to unlimited acceleration in strong winds, which leads to the need to create significant safety margins and their overload.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство ротора ветродвигателя, содержащее профилированные лопасти с шарнирными тягами, закрепленными кронштейнами на полом вертикальном валу, и регулируемые С-образные лопасти с переменной площадью поверхности. Ротор снабжен стержнем, размещенным в полости вала, последний снабжен продольными прорезями, лопасти ротора выполнены C-образными составными по высоте из верхней неподвижной части с направляющими канавками по наружным кромкам и по меньшей мере одной нижней подвижной части с роликами, размещенными в канавках неподвижной лопасти, причем тяги профилированных лопастей связаны со стержнем, который закреплен за нижнюю часть C-образных подвижных лопастей [3]. The closest in technical essence and the achieved result is a wind turbine rotor device containing profiled blades with hinged rods, brackets mounted on a hollow vertical shaft, and adjustable C-shaped blades with a variable surface area. The rotor is equipped with a rod located in the shaft cavity, the latter is provided with longitudinal slots, the rotor blades are made C-shaped in height from the upper fixed part with guide grooves along the outer edges and at least one lower movable part with rollers located in the grooves of the fixed blade, moreover, the thrusts of profiled blades are connected with the rod, which is fixed to the lower part of the C-shaped movable blades [3].

Недостатками данного устройства являются:
- наличие двух типов аэродинамических лопастей, профилированных и C-образных, что может привести в условиях восходящих или нисходящих потоков, а также при турбулентности к противоположному эффекту, т.е., когда аэродинамические силы, воздействующие на профилированную лопасть, превысят силы инерции, это может привести не к уменьшению площади C-образных лопастей, а к ее увеличению,
- малый диапазон регулирования. Изменение площади ометаемой поверхности C-образных лопастей происходит не полностью, что в условиях, например, урагана или сильного порыва ветра может привести к разрушению ротора. Не полная регулировка снижает также диапазон скоростей ветра, при котором ротор способен поддерживать постоянные обороты, что снижает эффективность регулирования,
- низкая надежность, т.к. наличие возвратно-поступательно движущихся пар трения делает данное устройство практически не работоспособным в условиях обледенения, при интенсивных осадках в виде снега или высокой запыленности воздуха,
- сложность в изготовлении, обслуживании и ремонте, т.к. изготовление взаимно подвижных лопастей большой площади является практически не выполнимой задачей из-за невозможности предания им достаточной жесткости.The disadvantages of this device are:
- the presence of two types of aerodynamic blades, profiled and C-shaped, which can lead to the opposite effect under conditions of upward or downward flows, as well as in turbulence, i.e., when the aerodynamic forces acting on the profiled blade exceed the inertia forces, this may lead not to a decrease in the area of C-shaped blades, but to its increase,
- small range of regulation. The change in the area of the swept surface of the C-shaped blades does not occur completely, which, for example, in a hurricane or a strong gust of wind, can lead to the destruction of the rotor. Incomplete adjustment also reduces the range of wind speeds at which the rotor is able to maintain constant speed, which reduces the efficiency of regulation,
- low reliability, as the presence of reciprocating moving friction pairs makes this device practically inoperative under icing conditions, with intense precipitation in the form of snow or high dustiness of the air,
- complexity in the manufacture, maintenance and repair, because the manufacture of mutually movable blades of a large area is practically an impossible task because of the impossibility of giving them sufficient rigidity.

Задачей изобретения является повышение эффективности регулирования ветродвигателя и повышение его надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта. The objective of the invention is to increase the efficiency of regulation of the wind turbine and increase its reliability, reducing the complexity of manufacturing, maintenance and repair.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в роторе ветродвигателя, содержащем по крайней мере две лопасти C-образного профиля, закрепленные на вертикальном валу, C-образные лопасти закреплены с возможностью поворота на параллельных траверсах, которые жестко связаны с вертикальным валом, причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в направлении от вершины C-образного профиля лопасти, которая по крайней мере одной шарнирной тягой связана в одноименных точках с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента и натяжной тяги по крайней мере с одной из траверс. The solution to this problem is achieved by the fact that in the rotor of the wind turbine containing at least two blades of a C-shaped profile mounted on a vertical shaft, the C-shaped blades are mounted for rotation on parallel traverses that are rigidly connected to the vertical shaft, and the point of fixing the blades is located on the axis of symmetry of the blade behind its center of gravity in the direction from the top of the C-shaped profile of the blade, which is connected by at least one articulated rod at the same points with another blade, and each of the blades by means of an arm rigidly connected to it, is connected by means of an elastic element and a tension rod to at least one of the traverses.

Отличием является также то, что длина кронштейна 1 должна соответствовать соотношению:
1 > (F_max-F_min)•F_max/F_min
где F_max - максимальная деформация упругого элемента;
F_min - минимальная деформация упругого элемента.The difference is also that the length of the bracket 1 must correspond to the ratio:
1> (F _max -F _min ) • F _max / F _min
where F _max - the maximum deformation of the elastic element;
F _min - the minimum deformation of the elastic element.

Эффективность регулирования повышается вследствие использования C-образных лопастей в качестве регулирующего элемента, полного использования площади ометаемой площади C-образных лопастей, нечувствительности к турбулентности ветрового потока и использование специальных геометрических соотношений в механизме регулирования. Повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта обусловлено простотой конструкции механизма регулирования. The efficiency of regulation is increased due to the use of C-shaped blades as a regulatory element, the full use of the swept area of the C-shaped blades, insensitivity to wind flow turbulence and the use of special geometric ratios in the control mechanism. Improving reliability, reducing the complexity of manufacturing, maintenance and repair due to the simplicity of the design of the regulation mechanism.

Ротор ветродвигателя изображен на чертежах, где на фиг. 1 показан главный вид ротора сверху и штрихпунктирной линией предельное положение C-образной лопасти, на фиг.2 показан вид ротора сбоку, на фиг.3 показан натяжной механизм. The wind turbine rotor is shown in the drawings, where in FIG. 1 shows a top view of the rotor and the dash-dotted line shows the limit position of the C-shaped blade, FIG. 2 shows a side view of the rotor, and FIG. 3 shows the tension mechanism.

Ротор ветродвигателя содержит C-образные лопасти 1 (фиг. 1,4,2), закрепленные с возможностью поворота в шарнирах 2 (фиг.1, фиг.5, фиг.6) на параллельных траверсах 3 (фиг.1, фиг.2), которые жестко связаны с вертикальным валом 4 (фиг. 1, фиг.2), причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в точке О на расстоянии а (фиг.1), которая по крайней мере одной шарнирной тягой 5 (фиг.1) связана в одноименных точках при помощи шарнирнов 6 (фиг.7) и 7 (фиг.8-9) с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна 8 (фиг.1-3), имеющего длину l, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента 9 (фиг.3) и натяжной тяги 10 (фиг.3) по крайней мере с одной из траверс 3. На лопасти 1 (фиг.1) закреплены балансировочные грузы 11 (фиг.10). The rotor of the wind turbine contains C-shaped blades 1 (Fig. 1,4,2), mounted rotatably in hinges 2 (Fig. 1, Fig. 5, Fig. 6) on parallel traverses 3 (Fig. 1, Fig. 2 ), which are rigidly connected with the vertical shaft 4 (Fig. 1, Fig. 2), and the point of attachment of the blades is located on the axis of symmetry of the blade behind its center of gravity at point O at a distance a (Fig. 1), which is at least one articulated thrust 5 (Fig. 1) is connected at the same points by means of hinges 6 (Fig. 7) and 7 (Figs. 8-9) with another blade, and each of the blades using bracket 8 (Figs. 1-3), its length l, rigidly connected with it, is connected by means of an elastic element 9 (Fig. 3) and a pull rod 10 (Fig. 3) to at least one of the traverses 3. On the blades 1 (Fig. 1) balancing weights 11 are fixed (figure 10).

Ротор работает следующим образом. The rotor operates as follows.

Под воздействием ветра ротор начинает вращаться и набирает номинальные обороты. При скорости ветра, превышающей расчетную, ротор набирает обороты и лопасти 1 начинают поворачиваться в шарнирах 2 вокруг оси О под воздействием момента от центробежной силы, приложенной в точке Т, преодолевая предварительное натяжение F_min упругого элемента 9, при этом упругий элемент 9 растягивается, препятствуя дальнейшему повороту лопасти. Поскольку лопасти связаны между собой шарнирными тягами 5, то они поворачиваются синхронно, при этом аэродинамические свойства ротора изменяются, при полном повороте лопастей ротор приобретает в пределе вид аэродинамически симметричной фигуры, которая в потоке ветра вообще не может создавать крутящий момент (фиг.1), это предотвращает неорганиченный разгон ротора и его разрушение. Для придания ротору крутой регулировочной характеристики, т.е. малому повороту лопастей должно соответствовать большое изменение аэродинамических свойств, длина кронштейна 8 выбирается такая, чтобы выполнялось соотношение
1 > (F_max-F_min)•F_max/F_min
где F_max - максимальная деформация упругого элемента;
F_min - минимальная деформация упругого элемента.Under the influence of wind, the rotor begins to rotate and picks up nominal speed. When the wind speed exceeds the calculated one, the rotor gains speed and the blades 1 begin to rotate in hinges 2 around the O axis under the influence of the moment from the centrifugal force applied at point T, overcoming the preliminary tension F _{min of the} elastic element 9, while the elastic element 9 is stretched, obstructing further rotation of the blade. Since the blades are interconnected by articulated rods 5, they rotate synchronously, while the aerodynamic properties of the rotor change, with a complete rotation of the blades, the rotor takes on the form of an aerodynamically symmetrical figure, which cannot generate torque in the wind stream (Fig. 1), this prevents unorganized acceleration of the rotor and its destruction. To give the rotor a cool adjusting characteristic, i.e. a small rotation of the blades should correspond to a large change in aerodynamic properties, the length of the bracket 8 is chosen so that the ratio
1> (F _max -F _min ) • F _max / F _min
where F _max - the maximum deformation of the elastic element;
F _min - the minimum deformation of the elastic element.

При этом ротор стабильно поддерживает номинальные обороты. In this case, the rotor stably maintains the nominal speed.

Предварительное натяжение упругих элементов 9 производится при помощи винтовых тяг 10, а уравновешивание лопастей относительно оси при помощи набора грузов 11. Pre-tensioning the elastic elements 9 is carried out using screw rods 10, and the balancing of the blades relative to the axis using a set of weights 11.

Предлагаемый ротор ветродвигателя по сравнению с прототипом обеспечивает следующие технико-экономические преимущества. The proposed rotor of the wind turbine in comparison with the prototype provides the following technical and economic advantages.

1. Эффективность регулирования повышается вследствие использования C-образных лопастей в качестве регулирующего элемента, т.е. исключаются дополнительные профилированные лопасти, подверженные воздействию аэродинамических сил неопределенного направления, т. к. в потоке ветра могут иметь место восходящие или нисходящие потоки, а также происходить срыв потока и его турбулентное течение, что ведет к хаотическому изменению аэродинамических сил. Эффективность регулирования также повышается вследствие использования всей ометаемой площади C-образных лопастей, что повышает чувствительность к изменению скорости ветра, а также использование специальных геометрических соотношений в механизме регулирования, что способствует более стабильному подержанию номинальных оборотов, а также предотвращает разрушение ротора при сильном ветре. 1. The effectiveness of regulation is increased due to the use of C-shaped blades as a regulatory element, ie additional profiled blades are excluded, subject to the influence of aerodynamic forces of an indefinite direction, since ascending or descending flows may occur in the wind stream, as well as a disruption of the stream and its turbulent flow, which leads to a chaotic change in aerodynamic forces. The efficiency of regulation is also increased due to the use of the entire swept area of C-shaped blades, which increases the sensitivity to changes in wind speed, as well as the use of special geometric ratios in the regulation mechanism, which contributes to a more stable maintenance of the nominal speed, and also prevents the destruction of the rotor in strong winds.

2. Повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта обусловлено простотой конструкции механизма регулирования, из механизма исключены дополнительные профилированные лопасти, пары трения скольжения, направляющие и ролики. 2. Improving reliability, reducing the complexity of manufacturing, maintenance and repair due to the simplicity of the design of the control mechanism, additional profiled blades, pairs of sliding friction, guides and rollers are excluded from the mechanism.

Claims

1. The rotor of a wind turbine containing at least two blades of a C-shaped profile, mounted on a vertical shaft, characterized in that the blades are mounted for rotation on parallel traverses that are rigidly connected with a vertical shaft, and the point of attachment of the blades is on the axis of symmetry of the blades behind its center of gravity in the direction from the top of the C-shaped profile of the blade, which is connected by at least one articulated thrust at the same points to the other blade, and each of the blades using a bracket, closely connected with it, is connected by means of an elastic element and a pull rod to at least one of the traverses.

2. The rotor of the wind turbine according to claim 1, characterized in that the length of the bracket l must correspond to the ratio
l> (F _max - F _min ) • F _max / F _min ,
where F _max - the maximum deformation of the elastic element;
F _min - the minimum deformation of the elastic element.