RU2164624C1

RU2164624C1 - Windmill

Info

Publication number: RU2164624C1
Application number: RU99118481/06A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Чудиков
Original assignee: Пятигорская государственная фармацевтическая академия
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2001-03-27

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: proposed windmill can be used in power generating plants of different power output. Windmill consists of shaft installed for free rotation vertically in support and blades installed for rotation around their axles and arranged at equal distance from shaft. Blades are mechanically coupled with driving sprocket through chain drive. Winding has two rectangular streamlined-shape blades capable of rotating around their axles parallel to shaft axis at rotation of shaft and motionless driving sprocket, t angular velocity half of angular velocity of shaft and directed to side opposite to direction of shaft rotation. Width of blade is equal to tow-fold distance from shaft edge to blade rotation axle. Angle between planes of blades is equal to 90 deg. EFFECT: increased efficiency of windmill. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ) различной мощности. The invention relates to the field of wind energy and can be used in wind power plants (wind turbines) of various capacities.

Известны ветродвигатели, состоящие из вертикально установленного в опоре с возможностью свободного вращения вала и лопастей, способных поворачиваться вокруг своих осей (см. Патент Германии N 3534997 A-1 от 1.10.85 г.). Такие ветродвигатели имеют громоздкую конструкцию и малый КПД. Known wind turbines, consisting of vertically mounted in a support with the possibility of free rotation of the shaft and blades that can rotate around their axes (see German Patent N 3534997 A-1 from 1.10.85). Such wind turbines have a bulky design and low efficiency.

Более близким по устройству к предлагаемому ветродвигателю является ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, установленный в опоре, равноудаленные от вала с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей лопасти, кинематически связанные через цепную передачу с ведущей звездочкой, установленной на верхнем конце вала (Европатент N 0008590 от 01.09.78 г. лист 6/12, фиг 12). В таком ветродвигателе на вращение лопастей затрачивается значительная часть мощности, поэтому его КПД довольно низок. Closer to the device of the proposed wind turbine is a wind turbine containing a vertical shaft mounted in a support, equally spaced from the shaft with the possibility of forced rotation around its axes, the blades kinematically connected via a chain drive with a drive sprocket mounted on the upper end of the shaft (Europatent N 0008590 dated 01.09 .78 g. Sheet 6/12, FIG. 12). In such a wind turbine, a significant part of the power is expended on the rotation of the blades, so its efficiency is quite low.

Целью данного изобретения является повышение эффективности и КПД ветродвигателя. The aim of this invention is to increase the efficiency and efficiency of a wind turbine.

Эта цель достигается тем, что ветродвигатель состоит из двух прямоугольных лопастей удобообтекаемого симметричного профиля, способных, при возможном вращении ветроколеса и неподвижной ведущей звездочке, вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, в сторону, противоположную вращению вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, причем ширина лопасти равна удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти, а угол между плоскостями лопастей составляет 90^o, имеются две одинаковые, соединенные вместе, ведущие звездочки и каждая из них кинематически связана через цепную передачу только с одной лопастью, к тому же ведущие звездочки соединены с флюгером и угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент ее возможного совпадения с осью вала, составляет 90^o.This goal is achieved by the fact that the wind turbine consists of two rectangular blades of a streamlined symmetrical profile, capable, with the possible rotation of the wind wheel and a stationary driving sprocket, rotate around its axes parallel to the shaft axis, in the direction opposite to the shaft rotation, at an angular speed of two times smaller angular velocity of rotation, wherein the width of the blade is equal to twice the distance from the edge of the blade to the shaft rotation axis, and the angle between the planes of the blades is 90 ^o, are two identical, linked s together, drive sprockets and each of which is kinematically connected through a chain transmission with only one blade, besides drive sprockets are connected to the vane and the angle enclosed between the plane of the weather vane and blade plane at the time of a possible coincidence shaft axis is 90 ^o .

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображен ветродвигатель, вид спереди; на фиг. 2 - вид сбоку на флюгер, вид Б; на фиг. 3 - вид сверху, вид А; на фиг. 4 - разрез А-А; на фиг. 5 - разрез А-А повернут вокруг оси вала на 90^o.The invention is illustrated by drawings, where: in FIG. 1 shows a wind turbine, front view; in FIG. 2 - side view of the weather vane, view B; in FIG. 3 is a top view, view A; in FIG. 4 - section aa; in FIG. 5 - section AA rotated around the axis of the shaft by 90 ^o .

Ветродвигатель состоит из вертикально установленного в опоре 1 с возможностью свободного вращения вала 2, двух прямоугольных удобообтекаемого симметричного профиля лопастей 3, равноудаленных от вала и установленных своими полуосями 4 и 5 на концах верхних 6, 7 водил, которые закреплены на валу 2. Лопасти могут вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, а их ширина d равна удвоенному расстоянию d'' от кромки вала до оси вращения лопасти, т. е. d=2d'' (фиг. 1). Каждая лопасть кинематически связана со своей ведущей звездочкой 8 через цепную передачу 9 и ведомую звездочку 10, закрепленную на полуоси 4 (фиг. 1-3). Число зубьев ведущей звездочки в два раза меньше числа зубьев звездочки 10. Две одинаковые звездочки 8 закреплены на общем трубчатом валу 11, сидящем на оси 12 и соединенном с флюгером 13. Ось 12 является верхним концом вала 2. Лопасти выставлены относительно флюгера так, что угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент совпадения ее с осью вала, равен 90^o (фиг. 3), а угол между плоскостями лопастей составляет 90^o.The wind turbine consists of a vertically mounted shaft 1 with the possibility of free rotation of the shaft 2, two rectangular streamlined symmetrical profile of the blades 3, equally spaced from the shaft and mounted with its own axles 4 and 5 at the ends of the upper 6, 7 carriers, which are mounted on the shaft 2. The blades can rotate around their axes parallel to the axis of the shaft, and their width d is equal to twice the distance d ″ from the edge of the shaft to the axis of rotation of the blade, that is, d = 2d ″ (Fig. 1). Each blade is kinematically connected with its driving sprocket 8 through a chain gear 9 and driven sprocket 10, mounted on the axle shaft 4 (Fig. 1-3). The number of teeth of the drive sprocket is two times less than the number of teeth of the sprocket 10. Two identical sprockets 8 are mounted on a common tubular shaft 11, mounted on an axis 12 and connected to a weather vane 13. The axis 12 is the upper end of the shaft 2. The blades are aligned with the vane so that the angle , concluded between the plane of the wind vane and the plane of the blade, at the moment of its coincidence with the axis of the shaft, equal to 90 ^o (Fig. 3), and the angle between the planes of the blades is 90 ^o .

Ветродвигатель работает следующим образом. The wind turbine operates as follows.

При наличии ветра, как показано стрелками (фиг. 4 и 5), флюгер, устанавливаясь по ветру, поворачивает обе лопасти в рабочее положение на ветер. Под воздействием ветра на лопасти ветроколесо с валом 2 будут вращаться. Будут вращаться вокруг своих осей и лопасти с угловой скоростью, в два раза меньшей, чем вал, и в сторону, противоположную валу. Для определения мощности на валу ветродвигателя составлен график изменения мощности, передаваемой на вал лопастями за один полный оборот вала. Как видно из фиг. 4 и 5, каждая лопасть, обладая максимальной площадью рабочей поверхности и свойством парусности, передает на вал определенную мощность во всех точках окружности с радиусом R, кроме точки K, где лопасти принимают положение, параллельное ветру, оказывая ему минимальное сопротивление. В начале оборота, когда лопасть перпендикулярна ветру (фиг. 4, точка H), она передает на вал всю энергию прямого удара ветрового потока сечением, равным площади рабочей поверхности лопасти, т.е. передает на вал максимальную мощность N_м, равную

кВт (см. фиг. 6), где C - коэффициент передачи мощности лопастью на вал (он равен C = sin²C = sin²α,, где α - угол поворота лопасти к ветру); γ - объемный вес воздуха в кг/м³; F - площадь рабочей поверхности лопасти в м²; v - скорость ветра в м/сек; g = 9,81. Когда лопасть перпендикулярна ветру C=1. Под другими углами лопасти к ветру C будет уменьшаться и при повороте вала на 180^o = 0. Пропорционально C будет меняться и мощность, передаваемая на вал лопастью. Кривая 1 показывает изменение мощности, передаваемой на вал одной лопастью за один оборот вала (см. фиг. 6). Кривая 2 показывает изменение мощности, передаваемой на вал другой лопастью. Суммарная мощность, передаваемая на вал двумя лопастями за один оборот вала, будет постоянной мощностью N на валу данного ветродвигателя, т.е.

кВт. Потеря мощности на вращение лопастей вокруг своих осей здесь будет незначительной и в расчет не берется, т.к. при вращении ветроколеса лопасти сами могут вращаться против вала под воздействием окружающего их воздушного потока. Флюгер лишь сохраняет лопастям свойство парусности при меняющемся ветре.If there is wind, as shown by the arrows (Figs. 4 and 5), the weather vane, installed in the wind, turns both blades into the working position in the wind. Under the influence of wind on the blades of a wind wheel with a shaft 2 will rotate. They will rotate around their axes and blades with an angular speed two times smaller than the shaft, and in the direction opposite to the shaft. To determine the power on the wind turbine shaft, a schedule has been drawn up for the change in power transmitted to the shaft by the blades for one full revolution of the shaft. As can be seen from FIG. 4 and 5, each blade, having a maximum working surface area and sailing property, transfers a certain power to the shaft at all points of a circle with radius R, except for point K, where the blades take a position parallel to the wind, providing it with minimal resistance. At the beginning of the turn, when the blade is perpendicular to the wind (Fig. 4, point H), it transfers to the shaft all the energy of direct impact of the wind flow with a cross section equal to the area of the working surface of the blade, i.e. transmits to the shaft the maximum power N _m equal to

kW (see Fig. 6), where C is the power transmission coefficient of the blade on the shaft (it is C = sin ² C = sin ² α ,, where α is the angle of rotation of the blade towards the wind); γ is the volumetric weight of air in kg / m ³ ; F is the area of the working surface of the blade in m ² ; v is the wind speed in m / s; g = 9.81. When the blade is perpendicular to the wind C = 1. At other angles of the blade towards the wind, C will also decrease when the shaft rotates 180 ^o = 0. In proportion to C, the power transmitted to the shaft by the blade will change. Curve 1 shows the change in power transmitted to the shaft by one blade per shaft revolution (see Fig. 6). Curve 2 shows the change in power transmitted to the shaft by another blade. The total power transmitted to the shaft by two blades per shaft revolution will be constant power N on the shaft of this wind turbine, i.e.

kW The power loss due to the rotation of the blades around their axes here will be insignificant and not taken into account, because when the wind wheel rotates, the blades themselves can rotate against the shaft under the influence of the surrounding air flow. The weather vane only preserves the blades' sailing property under changing winds.

Число оборотов n вала под нагрузкой:

об/с, где π = 3,14.The number of revolutions n of the shaft under load:

r / s, where π = 3.14.

При определении КПД данного ветродвигателя нужно учесть, что площадь наибольшего сечения ветроколеса, перпендикулярного ветру (миделево сечение, фиг. 1), равна 1,5 площади лопасти, без учета площади продольного сечения вала и водил. Но этот ветродвигатель полностью улавливает энергию воздушного потока сечением, равным площади лопасти (см. выше). Тогда отношение площади лопасти к миделеву сечению ветроколеса есть КПД, т.е. 1/1,5 = 0,666... Округляя это число с учетом площади продольного сечения вала и водил, получим КПД данного ветродвигателя не ниже 0,63. При использовании в таком ветродвигателе трех подобных лопастей его КПД может возрасти до 0,8. When determining the efficiency of this wind turbine, it is necessary to take into account that the area of the largest cross section of the wind wheel perpendicular to the wind (mid-section, Fig. 1) is equal to 1.5 of the blade area, excluding the longitudinal section of the shaft and carrier. But this wind turbine completely captures the energy of the air flow with a cross section equal to the area of the blade (see above). Then the ratio of the blade area to the mid-section of the wind wheel is the efficiency, i.e. 1 / 1.5 = 0.666 ... Rounding this number taking into account the longitudinal sectional area of the shaft and carrier, we obtain the efficiency of this wind turbine not lower than 0.63. When using three such blades in such a wind turbine, its efficiency can increase to 0.8.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что ветродвигатель имеет прямоугольные лопасти удобообтекаемого профиля и шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти, к тому же лопасти обладают парусностью за счет вращения их вокруг своих осей с угловой скоростью, в два раза меньшей чем вал, в направлении против вала и имеют кинематическую связь с флюгером. An essential distinguishing feature of the present invention is that the wind turbine has rectangular blades of a streamlined profile and a width equal to twice the distance from the shaft edge to the axis of rotation of the blade, moreover, the blades have a windage due to their rotation around their axes with an angular speed half that than the shaft, in the direction against the shaft and have a kinematic connection with the weather vane.

Преимуществом предлагаемой конструкции является простота и компактность устройства и повышенный КПД. The advantage of the proposed design is the simplicity and compactness of the device and increased efficiency.

Claims

1. The wind turbine, consisting of vertically mounted in a support with the possibility of free rotation of the shaft and equally spaced from the shaft with the possibility of rotation around its axes of the blades kinematically connected to the drive sprocket through a chain transmission, characterized in that the wind turbine consists of two rectangular streamlined profile of the blades, capable of , with the possible rotation of the shaft and the stationary driving sprocket, rotate around its axes parallel to the axis of the shaft, with an angular velocity half the rotational speed of the rotor the shaft and directed in the direction opposite to the rotation of the shaft, and the width of the blade is equal to twice the distance from the edge of the shaft to the axis of rotation of the blade and the angle between the planes of the blades is 90 ^o .

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the wind turbine has two identical leading sprockets connected together and each of them is kinematically connected through a chain transmission with only one blade.

3. The wind turbine according to claims 1 and 2, characterized in that the drive sprockets are connected to the wind vane and the angle between the plane of the wind vane and the plane of the blade at the moment of its possible coincidence with the axis of the shaft is 90 ^o .