RU2170366C2

RU2170366C2 - Windmill

Info

Publication number: RU2170366C2
Application number: RU98106742/06A
Authority: RU
Inventors: Ю.Р. Зельдин; Е.Р. Савинов
Original assignee: Зельдин Юлий Рафаилович; Савинов Евгений Рафаилович
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: invention relates to device designed for converting wind energy into energies of other type. Proposed windmill has at least two blades in form of Savonius rotors each consisting of two semicylinders installed on axles for turning. According to invention, windmill is provided additionally with framework, Savonius rotors are installed on turnable platform with vertical shaft, and their axles are mechanically connected with framework of windmill. Axes of each semicylinder are arranged in their gravity center, and each semicylinder is furnished with weight secured on its surface. EFFECT: simplified design of windmill, improved reliability in operation, increased degree of utilization of wind energy. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для использования энергии ветра путем преобразования ее в другие виды энергии. The invention relates to devices for using wind energy by converting it into other types of energy.

Известны ветродвигатели карусельного типа, содержащие вертикальные поворотные лопасти с механизмом их поворота (а.с. СССР N 1486623, МКИ F 03 D 3/06; N 1483081, МКИ F 03 D 3/02; МКИ F 03 D 7/06, 3/02 и др.). Эти конструкции содержат согласно описаниям много открытых кинематических передач, мелких деталей и механизм ориентации лопастей относительно направления ветра, что не может гарантировать надежную и длительную их работу, особенно в период дождей и снегопадов. Known rotary-type wind turbines containing vertical rotary blades with a mechanism for their rotation (AS USSR N 1486623, MKI F 03 D 3/06; N 1483081, MKI F 03 D 3/02; MKI F 03 D 7/06, 3 / 02 and others). According to the descriptions, these structures contain many open kinematic gears, small parts and a mechanism for the orientation of the blades relative to the direction of the wind, which cannot guarantee their reliable and long-term operation, especially during rains and snowfalls.

Известен ветродвигатель карусельного типа, содержащий несколько (не менее двух) роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, закрепленных на осях с возможностью их поворота (пат. SU 19164 A, кл. F 03 D 7/06, 1931 г.). Known rotary-type wind turbine containing several (at least two) Savonius rotors, each consisting of two half-cylinders mounted on the axles with the possibility of rotation (Pat. SU 19164 A, class F 03 D 7/06, 1931).

По принципу действия этот ветродвигатель близок к предлагаемому и принят в качестве прототипа. Для работы прототипа необходимо иметь устройство для оптимальной ориентации его относительно направления ветра. By the principle of operation, this wind turbine is close to the proposed one and adopted as a prototype. For the prototype to work, it is necessary to have a device for its optimal orientation relative to the direction of the wind.

Недостатком прототипа является наличие этого устройства и необходимость ориентировать лопасти относительно ветра. Это усложняет конструкцию ветродвигателя и уменьшает надежность его работы. The disadvantage of the prototype is the presence of this device and the need to orient the blades relative to the wind. This complicates the design of the wind turbine and reduces the reliability of its operation.

Известно, что такой ветродвигатель начинает работать при скорости ветра более трех метров в секунду, что препятствует его использованию в местностях с преобладанием слабых ветров. It is known that such a wind turbine starts to work at a wind speed of more than three meters per second, which prevents its use in areas with a predominance of weak winds.

Целью создания изобретения является упрощение конструкции ветродвигателя и повышение надежности его работы. Еще одной целью является увеличение степени использования энергии ветра. The aim of the invention is to simplify the design of the wind turbine and increase the reliability of its operation. Another goal is to increase the degree of use of wind energy.

Эти и другие цели достигаются тем, что в ветродвигателе, содержащем не менее двух лопастей в виде роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, закрепленных на осях с возможностью их поворота, согласно изобретению двигатель дополнительно содержит остов, роторы Савониуса установлены на поворотной платформе с вертикальным валом, а их оси кинематически соединены с остовом ветродвигателя, причем оси каждого из полуцилиндров расположены в центре их тяжести, а каждый из полуцилиндров снабжен грузом, закрепленным на его поверхности. These and other goals are achieved by the fact that in a wind turbine containing at least two blades in the form of Savonius rotors, each consisting of two half-cylinders mounted on axles with the possibility of rotation, according to the invention, the engine further comprises a skeleton, Savonius rotors are mounted on a rotary platform with a vertical a shaft, and their axes are kinematically connected to the skeleton of the wind turbine, the axes of each of the half-cylinders being located at the center of gravity, and each of the half-cylinders being provided with a load fixed to its surface tee.

Возможный вариант исполнения ветродвигателя поясняется чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - вид на ветродвигатель в аксонометрии; на фиг. 2 - вид сбоку на поворотные лопасти ветродвигателя; на фиг. 3 - сечение по оси А-А платформы; на фиг. 4 - вид сверху на ветродвигатель; на фиг. 5 - сечение по одному из роторов. A possible embodiment of the wind turbine is illustrated by the drawings, in which are shown in FIG. 1 is a view of a wind turbine in a perspective view; in FIG. 2 is a side view of the rotary blades of a wind turbine; in FIG. 3 - section along the axis AA of the platform; in FIG. 4 is a top view of a wind turbine; in FIG. 5 is a section along one of the rotors.

Ветродвигатель (фиг. 1-5) содержит лопасти 1, 2 и 3 (количество лопастей может быть и иным), установленные на вертикальных осях 4 на платформе 5. Каждая из лопастей 1, 2 и 3 выполнена в виде ротора Савониуса, состоящего из двух полуцилиндров 6 и 7, относительное расположение которых изображено на фиг. 4 и 5. Полуцилиндры 6 и 7 снабжены для жесткости поперечинами 8 и 9. The wind turbine (Fig. 1-5) contains blades 1, 2 and 3 (the number of blades may be different) mounted on the vertical axes 4 on the platform 5. Each of the blades 1, 2 and 3 is made in the form of a Savonius rotor, consisting of two half cylinders 6 and 7, the relative location of which is shown in FIG. 4 and 5. The half-cylinders 6 and 7 are provided for stiffness with cross members 8 and 9.

Платформа 5 закреплена на вертикальном валу 10, установленном в подшипниках (не показаны) остова 11. На осях 4 закреплены шестерни 12, которые посредством сателлитов 13 соединяют все лопасти кинематически с центральной шестерней 14, жестко закрепленной на остове 11. The platform 5 is mounted on a vertical shaft 10 mounted in bearings (not shown) of the skeleton 11. On the axles 4 are fixed gears 12, which, by means of satellites 13, connect all blades kinematically with the central gear 14, rigidly fixed on the skeleton 11.

Полуцилиндры 6 и 7 (фиг. 5) установлены на осях 15 и 16, закрепленных на кронштейнах 17 и расположенных в центре тяжести каждого из полуцилиндров, и снабжены грузами 18 и 19, закрепленными на поверхностях полуцилиндров 6 и 7. Кронштейны 17 закреплены на осях 4. Поперечины 8 и 9 соединены друг с другом шатуном 20, расстояние между осями 21 и 22 которого равно расстоянию между осями 15 и 16, так что элементы 8, 9, 17 и 20 образуют в совокупности шарнирный параллелограмм. Кронштейн 17 и поперечина 9 связаны между собой пружиной 23. Half-cylinders 6 and 7 (Fig. 5) are mounted on axes 15 and 16, mounted on brackets 17 and located in the center of gravity of each of the half-cylinders, and are equipped with loads 18 and 19, mounted on the surfaces of the half-cylinders 6 and 7. The brackets 17 are fixed on the axles 4 The cross members 8 and 9 are connected to each other by a connecting rod 20, the distance between the axes 21 and 22 of which is equal to the distance between the axes 15 and 16, so that the elements 8, 9, 17 and 20 together form a hinged parallelogram. The bracket 17 and the cross member 9 are interconnected by a spring 23.

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

Воздействующий на каждую из лопастей 1, 2 и 3 ветер, независимо от его направления, создает на роторах Савониуса, из которых состоят эти лопасти, крутящий момент M1. Шестерни 12, 13 и 14 передают этот момент остову 11 ветродвигателя, из-за чего на платформе 5 возникает реактивный момент М2, вращающий вал 10. Вращение вала 10 может быть использовано для передачи энергии любому из возможных потребителей. The wind acting on each of the blades 1, 2 and 3, regardless of its direction, creates a torque M1 on the Savonius rotors of which these blades are composed. Gears 12, 13 and 14 transmit this moment to the skeleton 11 of the wind turbine, due to which a reactive moment M2 arises on the platform 5, the rotating shaft 10. The rotation of the shaft 10 can be used to transfer energy to any of the possible consumers.

Оси 4 каждого из роторов Савониуса при вращении платформы 5 движутся по окружности В. На половине этой окружности каждый ротор Савониуса движется навстречу ветру, на другой ее половине - по ветру. The 4 axes of each of the Savonius rotors during rotation of the platform 5 move along the circle B. On half of this circle, each Savonius rotor moves towards the wind, on the other half - towards the wind.

Известно, что развиваемая ротором Савониуса мощность пропорциональна кубу скорости ветра относительно ротора (Шефгер Я.И. Использование энергии ветра, - М.: Энергоиздат, 1983), то есть
N=k•(V_в+/-V_р)³,
где N - мощность, развиваемая ротором Савониуса;
V_в - скорость ветра;
V_р - скорость оси 4 ротора Савониуса навстречу (+) или по (-) ветру;
k - коэффициент пропорциональности.It is known that the power developed by the Savonius rotor is proportional to the cube of wind speed relative to the rotor (Shefger Y.I. Use of wind energy, - M .: Energoizdat, 1983), i.e.
N = k • (V _at +/- V _p ) ³ ,
where N is the power developed by the Savonius rotor;
V _in - wind speed;
V _p - the speed of the axis 4 of the Savonius rotor towards (+) or (-) the wind;
k is the coefficient of proportionality.

Можно доказать, что на участках движения оси 4, для которых скорости V_в и V_р складываются, мощность возрастает на несколько большую величину, чем уменьшение мощности на участках, на которых эти скорости вычитаются, а выигрыш в развиваемой мощности по сравнению с неподвижной осью 4 равен
N=3•k•V_в•V_р ²,
то есть установка осей 4 роторов Савониуса на вращающейся платформе 5 позволяет увеличить степень использования энергии ветра ветродвигателем.It can be proven that the areas of motion axis 4, for which the velocity V _in and V _p are added, the power increases at a somewhat greater amount than the reduction of power in the areas where these velocities are subtracted, and the gain in the developed power compared to the fixed axis 4 is equal to
N = 3 • k • V _in • V _p ² ,
that is, the installation of the axes 4 of the Savonius rotors on a rotating platform 5 allows you to increase the degree of use of wind energy by a wind turbine.

Скорость ветра, как известно, величина, значительно изменяющаяся во времени. Наиболее выгодной для потребителя будет такая работа ветродвигателя, когда он будет работоспособен в широком диапазоне изменения скорости ветра (от 1,5 - 2 м/с до 30 - 35 м/с, а не 5 - 25 м/с, как сейчас). Wind speed, as you know, a value that varies significantly over time. The most beneficial for the consumer will be such a work of a wind turbine when it will be operational in a wide range of changes in wind speed (from 1.5 - 2 m / s to 30 - 35 m / s, and not 5 - 25 m / s, as it is now).

Это обеспечивается предлагаемой конструкцией, так как при слабом ветре мощность его мала, обороты ротора уменьшаются, и пружина 23, сокращаясь, переводит полуцилиндры 6 и 7 из основного рабочего положения, показанного на фиг. 5 двойными сплошными линиями, в положение, изображенное там же тонкими линиями. This is ensured by the proposed design, since its power is small in light winds, the rotor speed decreases, and the spring 23, reducing, moves the half cylinders 6 and 7 from the main working position shown in FIG. 5 by double solid lines, to the position depicted in the same thin lines.

Полуцилиндры 6 и 7 ротора при его вращении в этом случае ометают площадь, определяемую произведением высоты ротора H (фиг. 2) на диаметр D1 (фиг. 5). По мере усиления ветра скорость вращения ротора относительно его оси 10 увеличивается, увеличивается и центробежная сила, развиваемая грузами 18 и 19. Преодолевая сопротивление пружины 23, эта сила поворачивает полуцилиндры 6 и 7 и при номинальной скорости ветра, на работу при которой рассчитан ветродвигатель, переводит их в положение, определяемое диаметром D2. The half-cylinders 6 and 7 of the rotor during its rotation in this case sweep the area determined by the product of the height of the rotor H (Fig. 2) by the diameter D1 (Fig. 5). As the wind intensifies, the rotor rotational speed relative to its axis 10 increases, and the centrifugal force developed by the loads 18 and 19 also increases. Overcoming the resistance of the spring 23, this force rotates the half cylinders 6 and 7 and at the rated wind speed, for which the wind turbine is designed, translates them to the position determined by the diameter D2.

При чрезмерном усилении ветра скорость вращения роторов растет, центробежная сила от грузов 18 и 19 еще больше увеличивается, переводя полуцилиндры 6 и 7 в положение, определяемое диаметром D3. Ветровая нагрузка на ротор при этом существенно уменьшается, так как общая конфигурация ротора приближается к форме цилиндра. With excessive wind amplification, the rotor speed increases, the centrifugal force from the loads 18 and 19 increases even more, moving the half-cylinders 6 and 7 to the position determined by the diameter D3. In this case, the wind load on the rotor is significantly reduced, since the general configuration of the rotor approaches the shape of the cylinder.

Claims

1. A wind turbine containing at least two blades in the form of Savonius rotors, each consisting of two half-cylinders mounted on the axles with the possibility of rotation, characterized in that the engine further comprises a skeleton, Savonius rotors are mounted on a rotary platform with a vertical shaft, and their axes kinematically connected to the skeleton of a wind turbine.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the axes of each of the half-cylinders are located at their center of gravity, and each of the half-cylinders is equipped with a load fixed on its surface.