RU2173791C2

RU2173791C2 - Windmill-electric power plant

Info

Publication number: RU2173791C2
Application number: RU99120251A
Authority: RU
Inventors: Р.М. Карапетян; М.И. Конюхов; В.Р. Милошевич; Г.А. Петров
Original assignee: Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-09-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering; wind-to-electrical energy conversion. SUBSTANCE: plant has horizontal supporting surface that carries shaft mounted for rotation, two vertical supporting frames that mount blades turning about vertical pins to form sail-like working planes, wind vane, and generator. Novelty is introduction of parallelogram-type mechanism made in the form of front transversal link fixed at center to shaft, rear transversal link equal and parallel to the former, side longitudinal links that hinge ends of transversal links together; longitudinal links mount vertical and perpendicular supporting frames, respectively; mentioned mechanism is also provided with intermediate longitudinal link parallel to side links, its front and intermediate points being hinged to shaft and to center of rear transversal link, respectively; wind vane, as well as revolution converting mechanism, flywheel, and generator coupled in series with shaft are mounted at end in parallel to longitudinal links; revolution converting mechanism attached at bottom to supporting surface and accommodated in closed casing has input gear coupled with shaft through its pin, first and second driven gears, first and second ratchet sleeves coupled with the latter through their input pins, respectively, first and second drive gears fitted, respectively, on their output pins, and output gear coupled with them by internal and external mesh, respectively. EFFECT: enhanced energy output under varying wind velocity. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. The invention relates to wind energy and can be used to convert wind energy into electrical energy.

Известна ветровая энергетическая установка, содержащая парусообразные лопасти, установленные на радиальной траверсе, размещенной на вертикальном валу и кинематически связанной с электрогенератором, механизм изменения рабочей площади лопастей и ориентирующий механизм, выполненный в виде флюгера (А.с. СССР N 1451330, кл. F 03 D 7/06, опубл. 1989). A known wind power installation containing sail-like blades mounted on a radial traverse placed on a vertical shaft and kinematically connected with an electric generator, a mechanism for changing the working area of the blades and an orienting mechanism made in the form of a weather vane (A.S. USSR N 1451330, class F 03 D 7/06, publ. 1989).

В случае большой скорости ветра эта установка позволяет создавать вращающий момент относительно вертикального вала и приводить в движение ротор генератора с приемлемой угловой скоростью. In the case of a high wind speed, this installation allows you to create a torque relative to the vertical shaft and set in motion the rotor of the generator with an acceptable angular velocity.

Недостатком этого технического решения является низкая энергоотдача при относительно малой скорости ветра, вызванная тем, что с увеличением скорости вращения лопастей сила давления на них ветра снижается практически до нуля. The disadvantage of this technical solution is the low energy efficiency at a relatively low wind speed, due to the fact that with an increase in the speed of rotation of the blades, the pressure force on them of the wind decreases to almost zero.

Известна также ветровая энергетическая установка, содержащая закрепленный на горизонтальной опорной поверхности вертикальный вал, связанный с ним ротор, выполненный в виде горизонтальной платформы с флюгером, рабочая поверхность которого размещена в вертикальной плоскости, проходящей через вал, две направляющие, закрепленные на роторе на одинаковом расстоянии по разные стороны от вала параллельно друг другу и рабочей поверхности флюгера, две тележки, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, установленные на тележках вертикально и параллельно друг другу две опорные рамы, плоскости которых перпендикулярны направляющим, поворотные лопатки, образующие парусообразные плоскости и установленные на вертикальных осях в опорных рамах, радиальную раздвижную траверсу, шарнирно связанную своей средней точкой с валом и своими концами с тележками, шарнирно связанный с траверсой вал с винтовой поверхностью и размещенный на нем генератор, корпус которого шарнирно закреплен на горизонтальной платформе, причем вал с винтовой поверхностью разделен на два участка, закрутка которых выполнена в противоположные стороны и на каждом из них установлена храповая муфта (Патент РФ N 2002107, кл. F 03 D 3/00, F 03 D 3/06, F 03 D 5/00, F 03 D 7/06, опубл. 1993). A wind power installation is also known, comprising a vertical shaft mounted on a horizontal supporting surface, a rotor connected to it, made in the form of a horizontal platform with a weather vane, the working surface of which is placed in a vertical plane passing through the shaft, two guides mounted on the rotor at the same distance different sides of the shaft parallel to each other and the working surface of the weather vane, two carts mounted with the possibility of reciprocating motion along the guides, two support frames mounted vertically and parallel to each other on trolleys, the planes of which are perpendicular to the guides, rotary blades forming sail-like planes and mounted on vertical axes in the support frames, a radial sliding beam, articulated at its midpoint with the shaft and its ends with the trolleys, pivotally a shaft connected to the traverse with a helical surface and a generator placed on it, the housing of which is pivotally mounted on a horizontal platform, and the shaft with a helical surface divided into two sections, the twist of which is made in opposite directions and a ratchet clutch is installed on each of them (RF Patent N 2002107, cl. F 03 D 3/00, F 03 D 3/06, F 03 D 5/00, F 03 D 7/06, publ. 1993).

Данное устройство, благодаря циклическому изменению рабочей площади парусообразных плоскостей, обладает более высокой энергоотдачей как при малой, так и при большой скорости ветра. This device, due to the cyclical change in the working area of sail-like planes, has a higher energy efficiency both at low and at high wind speeds.

Недостатком этого устройства является малый момент инерции ротора генератора, участвующего в однонаправленном вращении, что снижает энергоотдачу устройства из-за малой величины кинетической энергии, накапливаемой при избыточной скорости ветра и передаваемой генератору при малой скорости ветра. The disadvantage of this device is the small moment of inertia of the rotor of the generator participating in unidirectional rotation, which reduces the energy efficiency of the device due to the small amount of kinetic energy accumulated at excess wind speed and transmitted to the generator at low wind speed.

Цель изобретения - повышение энергоотдачи устройства в условиях периодически изменяющейся скорости ветра. The purpose of the invention is to increase the energy efficiency of the device in conditions of periodically changing wind speed.

Для достижения поставленной цели в ветровую энергетическую установку, содержащую горизонтальную опорную поверхность, закрепленный на ней вертикально с возможностью вращения вал, две вертикальные опорные рамы, установленные в них на вертикальных осях поворотные лопатки, образующие рабочие парусообразные плоскости, флюгер и генератор, дополнительно введены механизм параллелограммного типа, содержащий связанную жестко своей средней точкой с валом переднюю поперечную тягу, равную и параллельную ей заднюю поперечную тягу, связывающие шарнирно концы поперечных тяг боковые продольные тяги, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены опорные рамы, и параллельную боковым тягам среднюю продольную тягу, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом и с серединой задней поперечной тяги, а в конце вертикально и параллельно продольным тягам закреплен флюгер, выполненный в закрытом корпусе и прикрепленный снизу к опорной поверхности механизм преобразования вращения, содержащий связанную с валом своей осью входную шестерню, связанные с ней внешним зацеплением первую и вторую ведомые шестерни, связанные с их осью своей входной осью соответственно первую и вторую храповые муфты, посаженные соответственно на их выходные оси первую и вторую ведущие шестерни и связанную с ними соответственно внешним и внутренним зацеплением выходную шестерню, кинематически последовательно связанные с осью выходной шестерни маховик и генератор. To achieve this goal, a wind power installation containing a horizontal supporting surface, a shaft mounted vertically rotatably on it, two vertical supporting frames, rotary blades mounted on them on the vertical axes, forming working sail-like planes, a weather vane and a generator, a parallelogram mechanism is additionally introduced type containing the front transverse link rigidly connected with its middle point to the shaft, equal to and parallel to the rear transverse link, connecting the ends of the transverse rods are pivotally lateral longitudinal rods on which the support frames are vertically fixed perpendicularly to them, and the middle longitudinal rods parallel to the lateral rods, the front and intermediate points of which are pivotally connected to the shaft and the middle of the rear transverse rods, and at the end vertically and parallel to the longitudinal fixed to the rods is a weather vane made in a closed casing and attached from below to the supporting surface, a rotation conversion mechanism containing an input gear connected to the shaft by its axis, is connected the first and second driven gears connected with it by external gearing, the first and second ratchet couplings connected with their axis by their input axis, respectively, the first and second driving gears respectively mounted on their output axes and the output gear connected with them by external and internal gearing, kinematically sequentially flywheel and generator connected to the axis of the output gear.

На фиг. 1 показана кинематическая схема ветровой энергетической установки; на фиг. 2 - кинематическая схема механизма преобразования вращения. In FIG. 1 shows a kinematic diagram of a wind power plant; in FIG. 2 is a kinematic diagram of a rotation conversion mechanism.

Ветроэнергетическая установка содержит закрепленный с возможностью вращения относительно горизонтальной опорной поверхности 1 вертикальный вал 2, две опорные рамы 3 и 4, плоскости которых вертикальны и параллельны друг другу, установленные в опорных рамах 3 и 4 на вертикальных осях поворотные лопатки 5, образующие рабочие парусообразные плоскости, горизонтально расположенный механизм параллелограммного типа, состоящий из связанной жестко своей средней точкой с валом 2 передней поперечной тяги 6, равной и параллельной ей задней поперечной тяги 7, связывающих шарнирно концы поперечных тяг 6 и 7 боковых продольных тяг 8 и 9, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены соответственно опорные рамы 3 и 4, параллельной боковым тягам 8 и 9 средней продольной тяги 10, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом 2 и с серединой задней поперечной тяги 7, закрепленный в конце средней продольной тяги 10 вертикально и параллельно продольным тягам 8 и 9 флюгер 11, выполненный в закрытом корпусе и прикрепленный снизу к опорной поверхности 1 механизм преобразования вращения 12, входная ось которого связана с валом 2, последовательно установленные на выходной оси механизма 12 маховик 13 и генератор 14, а также механизм поворота лопаток (не показан), выполненный, например, в виде цепной передачи с приводом, огибающим зубчатые колеса, закрепленные на осях лопаток 5. The wind power installation comprises a vertical shaft 2 fixed with the possibility of rotation relative to the horizontal supporting surface 1, two supporting frames 3 and 4, the planes of which are vertical and parallel to each other, rotary blades 5 installed in the supporting frames 3 and 4, forming working sail-like planes, horizontally arranged parallelogram type mechanism, consisting of a front transverse link 6 rigidly connected with its midpoint with a shaft 2 equal to and parallel to the rear transverse rod rods 7, pivotally connecting the ends of the transverse rods 6 and 7 of the lateral longitudinal rods 8 and 9, on which the supporting frames 3 and 4 are vertically fixed respectively to them, parallel to the lateral rods 8 and 9 of the middle longitudinal rod 10, the front and intermediate points of which are pivotally connected respectively, with the shaft 2 and the middle of the rear transverse rod 7, fixed at the end of the middle longitudinal rod 10 vertically and parallel to the longitudinal rods 8 and 9, a weather vane 11, made in a closed housing and attached from below to the supporting surface 1, the mechanism neobrazovaniya rotation 12, the input axis of which is connected with the shaft 2, sequentially mounted on the output axis of the mechanism 12, the flywheel 13 and the generator 14, as well as the rotation mechanism of the blades (not shown), made, for example, in the form of a chain drive with a drive enveloping the gears, fixed on the axes of the blades 5.

Механизм преобразования вращения 12 выполнен в виде входной шестерни 15, ось которой является входной осью механизма 12, связанных с ней внешним зацеплением первой 16 и второй 17 шестерен, связанных с их осями своими входными осями соответственно первой 18 и второй 19 храповых муфт, посаженных на их выходные оси соответственно первой 20 и второй 21 ведущих шестерен и связанной с ними соответственно внутренним и внешним зацеплением выходной шестерни 22, ось которой является выходной осью механизма 12. The rotation conversion mechanism 12 is made in the form of an input gear 15, the axis of which is the input axis of the mechanism 12, connected to it by the external gearing of the first 16 and second 17 gears, connected with their axes by their input axes, respectively, of the first 18 and second 19 ratchet couplings mounted on their output axes, respectively, of the first 20 and second 21 drive gears and the internal and external gearing of the output gear 22, respectively, whose axis is the output axis of the mechanism 12, respectively.

Устройство работает следующим образом: под влиянием ветра флюгер 11 разворачивает и удерживает параллелограммный механизм таким образом, что продольные тяги 8 и 9 становятся по направлению ветра. При этом плоскости опорных рам 3 и 4 будут перпендикулярны воздушному потоку. Механизм поворота лопаток устанавливает лопатки 5, например опорной рамы 3, в закрытое положение и лопатки рамы 4 - в открытое. Под влиянием большего давления потока на парусообразную поверхность рамы 3, чем на раму 4, продольная тяга 8 будет отклоняться по направлению ветра. Соответственно рама 4 и тяга 9 смещаются против ветра. При достижении определенного настройкой механизма поворота лопаток относительного положения продольных 8 и 9 и поперечных 6 и 7 тяг лопатки на опорной раме 3 открываются, а на опорной раме 4 - закрываются. Это приводит к обратному движению опорных рам 3, 4 и продольных тяг 8, 9. Возникающие периодические колебания поперечной тяги 6 приводят к соответствующим поворотам относительно опорной поверхности 1 вала 2 и шестерни 15. При этом шестерня 15 своим внешним зацеплением вращает шестерни 16 и 17, что, в свою очередь, вызывает соответственно вращение входных осей храповых муфт 18 и 19. Направление рабочего хода этих муфт различно, поэтому передача вращающего момента шестерне 22 от вала 2 происходит поочередно от шестерни 20 или шестерни 21 в зависимости от направления движения опорных рам 3 и 4. The device operates as follows: under the influence of wind, the weather vane 11 deploys and holds the parallelogram mechanism in such a way that the longitudinal rods 8 and 9 become in the direction of the wind. In this case, the planes of the support frames 3 and 4 will be perpendicular to the air flow. The rotation mechanism of the blades sets the blades 5, for example the support frame 3, in the closed position and the blades of the frame 4 - in the open. Under the influence of greater flow pressure on the sail-like surface of the frame 3 than on the frame 4, the longitudinal thrust 8 will deviate in the direction of the wind. Accordingly, the frame 4 and the thrust 9 are displaced against the wind. Upon reaching a certain setting of the rotation mechanism of the blades, the relative positions of the longitudinal 8 and 9 and transverse 6 and 7 rods of the blade on the supporting frame 3 are opened, and on the supporting frame 4 they are closed. This leads to the reverse movement of the support frames 3, 4 and the longitudinal rods 8, 9. Occurring periodic vibrations of the transverse rod 6 lead to corresponding rotations relative to the supporting surface 1 of the shaft 2 and gear 15. In this case, the gear 15 rotates gears 16 and 17 with its external engagement, which, in turn, causes a corresponding rotation of the input axes of the ratchet couplings 18 and 19. The direction of the working stroke of these couplings is different, therefore, the transmission of torque to the gear 22 from the shaft 2 takes place alternately from gear 20 or gear 21 depending on Direction of movement of the support frames 3 and 4.

Вращение шестерни 22, маховика 13 и ротора генератора 14 будет однонаправленным. The rotation of the gear 22, flywheel 13 and the rotor of the generator 14 will be unidirectional.

Изобретение позволяет иметь существенно больший, чем в прототипе, момент инерции деталей, участвующих в однонаправленном вращении. Это создает возможность увеличения энергоотдачи установки за счет снижения скорости поступательного движения парусообразных лопастей во время раскрутки маховика и накопления энергии в периоды усиления ветра. Кроме того, в устройстве используется электрогенератор стандартной конструкции, что удешевляет производство установки, и отсутствуют открытые, поступательно перемещающиеся узлы трения, такие как раздвижная траверса и направляющие с тележками, снижающие надежность работы конструкции вследствие промерзания или загрязнения. The invention allows to have a significantly larger than in the prototype moment of inertia of the parts involved in unidirectional rotation. This makes it possible to increase the energy efficiency of the installation by reducing the speed of translational movement of the sail-like blades during the spinning of the flywheel and the accumulation of energy during periods of wind amplification. In addition, the device uses an electric generator of standard design, which reduces the cost of installation, and there are no open, progressively moving friction units, such as a sliding beam and guides with trolleys, which reduce the reliability of the structure due to freezing or contamination.

Claims

A wind power installation comprising a horizontal supporting surface, a shaft mounted vertically rotatably on it, two vertical supporting frames, rotary blades mounted thereon on vertical axes, forming working sail-like planes, a weather vane and a generator, characterized in that a mechanism is additionally introduced into it parallelogram type, made in the form of a rigidly connected midpoint with a shaft of the front transverse link, equal to and parallel to it of the rear transverse link, pivotally connected the ends of the transverse rods of the lateral longitudinal rods, on which the supporting frames are vertically and perpendicularly attached to them, and parallel to the lateral rods of the middle longitudinal rods, the front and intermediate points of which are pivotally connected to the shaft and the middle of the rear transverse rods, and at the end parallel to the longitudinal rods a weather vane is vertically fixed, and a rotation conversion mechanism, a flywheel and a generator connected in series with the shaft, the rotation conversion mechanism attached from below to the support surface and made in a closed housing, contains an input gear connected to the shaft by its axis, first and second driven gears connected to it by external gearing, first and second ratchet couplings connected to their axis by their input axis, respectively, the first and second mounted on their output axes drive gears and associated output gear, respectively, by internal and external engagement.