RU2189495C2

RU2189495C2 - Tower-type windmill

Info

Publication number: RU2189495C2
Application number: RU2000126411A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Кобелев; И.С. Захаров; О.М. Рыбалкин
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering; heating windmills producing permanent upflow air streams and wind loads for energy generation. SUBSTANCE: windmill has tower installed on roof of garret-incorporating building and made in the from of vertical contraction with inlet channels fitted with control valves; windwheel coaxially coupled with generator by means of vertical shaft installed inside drift tube; deflector with windows and wind vane kinematically coupled with control doors and window-mounted guarding screens; novelty is introduction of curvilinear surfaces with guides and swirling ribs joining contraction with draft tube. Outer surface of contraction is covered with shielding film and its inner surface bears curvilinear grooves vertically disposed between large inlet hole of contraction and its small hole. Proposed design provides for eliminating stagnation of upflow air streams due to generation of additional air draft in draft tube when vacuum is built up at its upper opening. EFFECT: enhanced environmental friendliness, reduces power requirement for steady energy production. 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергосоздающему устройству, а именно к тепловетродвигателю, использующему разность температурных режимов, создающих постоянные воздушные потоки восходящего типа и ветронагрузку для выработки экологически чистой энергии. The invention relates to an energy generating device, and in particular to a heat engine using the difference in temperature conditions that create constant ascending air currents and wind load to generate clean energy.

Известен карусельный ветродвигатель (см. патент РФ 1787209. Карусельный ветродвигатель. МПК F 03 D 3/00. Бюл. 1, 1993), содержащий вертикальный вал и радиальные лопатки, выполненные из полимерно-композиционного материала с ориентированными волокнами. Known rotary wind turbine (see RF patent 1787209. Rotary wind turbine. IPC F 03 D 3/00. Bull. 1, 1993) containing a vertical shaft and radial blades made of polymer composite material with oriented fibers.

Недостатком является периодичность работы, определяемая наличием ветровой нагрузки. The disadvantage is the frequency of operation, determined by the presence of wind load.

Известен башенный ветродвигатель (см. патент РФ 2038511. Башенный ветродвигатель. МПК F 03 D 3/04. Бюл. 18, 1995), содержащий башню, размещенную на кровле здания с чердачным помещением и выполненную в виде вертикального конфузора с входными каналами, снабженными регулирующими заслонками, ветроколесо, соединяющее коаксиально установленным внутри вытяжной трубы вертикальным валом с генератором, дефлектор с окнами и флюгером, кинематически связанным со створками и сетчатым ограждением, установленными на окнах. Known tower wind turbine (see RF patent 2038511. Tower wind turbine. IPC F 03 D 3/04. Bull. 18, 1995), containing a tower located on the roof of the building with an attic and made in the form of a vertical confuser with input channels equipped with regulating dampers, a wind wheel connecting a vertical shaft coaxially mounted inside the exhaust pipe with a generator, a deflector with windows and a weather vane kinematically connected with the sashes and a mesh fence mounted on the windows.

Недостатком является высокая энергемкость поддержания стабильности работы ветродвигателя, обусловленная необходимостью преодолевания застойной зоны у входного отверстия вытяжной трубы, что требует использования значительного температурного перепада восходящих воздушных потоков внутри чердачного помещения и окружающей здание воздушной среды. The disadvantage is the high energy intensity of maintaining the stability of the wind turbine, due to the need to overcome the stagnant zone at the inlet of the exhaust pipe, which requires the use of a significant temperature difference of the ascending air flows inside the attic and the air surrounding the building.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса стабильной выработки экологически чистой энергии за счет устранения застойного положения воздушных потоков восходящего типа, путем обеспечения дополнительной тяги воздуха в вытяжной трубе при создании разряжения у ее верхнего отверстия. Кроме этого дополнительный подогрев солнечной энергией воздуха, поступающего в нижнее отверстие вытяжной трубы, уменьшает плотность восходящего потока, увеличивая тем самым скоростной напор на ветроколесо, что поднимает на более высокий уровень процесс выработки энергии. The technical task of the invention is to increase the efficiency and reduce the energy consumption of the process of stable generation of clean energy by eliminating the stagnant position of the air flows of the ascending type, by providing additional air draft in the exhaust pipe when creating a vacuum at its upper opening. In addition, the additional solar energy heating of the air entering the lower opening of the exhaust pipe reduces the density of the upward flow, thereby increasing the speed pressure on the wind wheel, which raises the energy generation process to a higher level.

Технический результат достигается тем, что башенный ветродвигатель, содержащий башню, размещенную на кровле здания с чердачным помещением и выполненную в виде вертикального конфузора с входными каналами, снабженными регулирующими заслонками, ветроколесо, соединенное коаксиально установленным внутри вытяжной трубы вертикальным валом с генератором, дефлектор с окнами и флюгером, кинематически связанным с регулирующими створками и сетчатым ограждением, установленными на окнах, снабжен криволинейными плоскостями с направляющими и закручивающими ребрами, соединяющими конфузор с вытяжной трубой. Конфузор по внешней поверхности покрыт экранирующей пленкой, а на внутренней поверхности имеет криволинейные канавки, продольно расположенные от большего входного сечения конфузора к меньшему его выходному сечению. The technical result is achieved by the fact that a tower wind turbine containing a tower located on the roof of a building with an attic and made in the form of a vertical confuser with input channels equipped with control flaps, a wind wheel connected by a vertical shaft coaxially mounted inside the exhaust pipe with a generator, a deflector with windows and equipped with a weather vane, kinematically connected with the control flaps and a mesh fence installed on the windows, equipped with curved planes with guides and closed uchivayuschimi edges connecting converger with exhaust pipe. The confuser on the outer surface is covered with a shielding film, and on the inner surface has curved grooves longitudinally spaced from the larger inlet section of the confuser to its smaller outlet section.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема башенного ветродвигателя, на фиг. 2 - развертка внутренней поверхности конфузора как элемента башенного ветродвигателя на фиг.1. In FIG. 1 is a schematic diagram of a tower wind turbine; FIG. 2 - scan of the inner surface of the confuser as an element of the tower wind turbine in figure 1.

Ветродвигатель, содержащий башню, размещенную на кровле здания 1, имеющем чердачное помещение 2, и выполненную в виде вертикального конфузора 3 с входными каналами 4, снабженными регулирующими заслонками 5. Ветроколесо 6, находящееся в дефлекторе 7, соединено коаксиально установленным внутри вытяжной трубы 8 вертикальным валом 9 с генератором 10. На дефлекторе 6 расположен флюгер 11, кинематически связанный с регулирующими створками и сетчатым ограждением окон. Конфузор 3 посредством криволинейных плоскостей 12 с направляющими и закручивающими ребрами 13 соединен с вытяжной трубой 8. Внешняя поверхность конфузора 3 покрыта экранирующей пленкой 14. На внутренней поверхности конфузора 3 выполнены криволинейные канавки 15, продольно расположенные от большего входного сечения 16 конфузора 3 до меньшего выходного сечения 17. A wind turbine comprising a tower located on the roof of a building 1 having an attic 2 and made in the form of a vertical confuser 3 with inlet channels 4 provided with control dampers 5. A wind wheel 6 located in the deflector 7 is connected by a vertical shaft coaxially mounted inside the exhaust pipe 8 9 with a generator 10. A weather vane 11 is located on the deflector 6, kinematically connected with the control flaps and the mesh window fencing. The confuser 3 by means of curved planes 12 with guides and twisting ribs 13 is connected to the exhaust pipe 8. The outer surface of the confuser 3 is covered with a shielding film 14. On the inner surface of the confuser 3 there are curved grooves 15 longitudinally spaced from the larger inlet section 16 of the confuser 3 to the smaller output section 17.

Башенный ветродвигатель работает следующим образом. Tower wind turbine operates as follows.

В здании 1 (жилой дом, промышленный цех горячего производства или сельхозстроение, например ферма), имеющем теплое чердачное помещение 2, постоянно наблюдается движение восходящего воздушного потока, выбрасываемого через дефлектор 7 в окружающую среду, с созданием у выходного отверстия вытяжной трубы 8 зоны отсоса воздуха, находящегося во внутреннем объеме конфузора 3. Однако для осуществления работы ветродвигателя необходим определенный скоростной напор, обеспечивающий вращательное движение ветроколеса 6. В результате того, что воздушная среда, окружающая конфузор 3, имеет температуру меньшую и соответственно большую плотность, чем воздух, поступающий из теплого чердачного помещения по вытяжной трубе 8 внутрь дефлектора 7, возникает движущаяся сила (как разность плотностей воздуха окружающей среды и вытяжного воздуха чердачного помещения), обеспечивающая разгон воздушного потока, находящегося во внутреннем объеме конфузора 3 с последующим образованием здесь зоны разряжения, приводящей к открытию регулирующих заслонок 5. In building 1 (a residential building, a hot industrial production hall or agricultural construction, such as a farm), which has a warm attic 2, there is constantly a movement of upward air flow discharged through the deflector 7 into the environment, creating an exhaust zone at the outlet of the exhaust pipe 8 located in the internal volume of the confuser 3. However, for the operation of the wind turbine, a certain high-pressure head is required, which ensures the rotational movement of the wind wheel 6. As a result of the fact that the air Since the environment surrounding the confuser 3 has a temperature lower and correspondingly higher density than the air coming from the warm attic through the exhaust pipe 8 into the deflector 7, a moving force arises (as the difference between the densities of the ambient air and the exhaust air of the attic), which accelerates the air flow located in the internal volume of the confuser 3 with the subsequent formation here of the discharge zone, leading to the opening of the control flaps 5.

Наружный воздух, поступающий в конфузор 3 под совместным действием отсоса и движущей силы, обтекая нижние и верхние криволинейные плоскости 12, а также направляющие и закручивающие ребра 13, закручивается, создавая эжекционный эффект за счет увеличения скорости воздуха в канале между криволинейной плоскостью 12 и внешней поверхностью вытяжной трубы 8. Наличие криволинейных канавок 15 поддерживает (не дает перейти в струйное, ламинарное) вихреобразное движение потока воздуха, устраняя образование застойной зоны - ламинарного подслоя, резко снижающего скорость движения вблизи внутренней поверхности конфузора 3, начиная от большего его входного отверстия 16 до меньшего выходного отверстия 17. В результате совместного действия восходящего потока, движущегося по вытяжной трубе 8, и закрученного воздуха внутреннего объема конфузора 3 осуществляется вращательное движение ветроколеса (ветротурбин) 6, связанного посредством вертикального вала 9 с генератором 10. The external air entering the confuser 3 under the combined action of suction and driving force, flowing around the lower and upper curved planes 12, as well as the guiding and twisting ribs 13, is twisted, creating an ejection effect due to an increase in the air velocity in the channel between the curved plane 12 and the outer surface exhaust pipe 8. The presence of curved grooves 15 supports (prevents the jet, laminar) to swirl the air flow, eliminating the formation of a stagnant zone - laminar sublayer, sharply with compressing the speed of movement near the inner surface of the confuser 3, starting from its larger inlet 16 to the smaller outlet 17. As a result of the combined action of the upward flow moving through the exhaust pipe 8 and the swirling air of the internal volume of the confuser 3, the rotary movement of the wind wheel (wind turbines) 6 connected through a vertical shaft 9 with a generator 10.

При наличии солнечной радиации (солнечная погода) экранирующая пленка 14 осуществляет интенсивную передачу тепла корпусу конфузора 3, что улучшает процесс разгона восходящего наружного воздушного потока вдоль здания 1, так и, прогревая пограничный слой внутреннего воздуха, интенсифицирует его закрутку при перемещении по криволинейным канавкам 15 от большего отверстия 16 к меньшему отверстию 17 конфузора 3. Прогретый воздух пограничного слоя, обладая меньшей плотностью, начинает с большей скоростью подниматься к ветроколесу 6, увлекая за собой основной поток воздуха, поступающего через конфузор 3 в дефлектор 7, и, как следствие этого, наблюдается увеличение выработки энергии генератором 10, т.е. башенный ветродвигатель как бы переходит на повышенный уровень выработки экологически чистой энергии. In the presence of solar radiation (sunny weather), the shielding film 14 intensively transfers heat to the body of the confuser 3, which improves the acceleration of the ascending external air flow along building 1, and, by heating the boundary layer of internal air, intensifies its swirling when moving along curved grooves 15 from a larger hole 16 to a smaller hole 17 of the confuser 3. The heated air of the boundary layer, having a lower density, begins to rise at a faster speed to the wind wheel 6, dragging The main flow of air entering through the confuser 3 into the deflector 7, and, as a consequence of this, there is an increase in energy production by the generator 10, i.e. the tower wind turbine, as it were, is moving to an increased level of clean energy production.

При ветровой нагрузке любого направления флюгер 11 устанавливается в соответствующее положение, кинетически воздействуя регулирующими створками на окна дефлектора 7, а открытые регулирующие заслонки 5 (например, в соответствии с направлением стрелок на фиг.1) впускают наружный воздух внутрь конфузора 3. Наружный воздух под действием ветрового давления, перемещаясь по нижним и верхним криволинейным плоскостям 12, а также по направляющим и закручивающим ребрам 13 и контактируя с криволинейными канавками, закручивается и воздействует на ветроколесо 6, после чего через окна дефлектора 7 выбрасывается в окружающую среду. В результате башенный ветродвигатель переходит на более высокий уровень выработки энергии. With a wind load of any direction, the weather vane 11 is installed in the corresponding position, kinetically acting on the deflector windows 7 with the control flaps, and the open control flaps 5 (for example, in accordance with the direction of the arrows in FIG. 1) let in external air into the confuser 3. External air under the action wind pressure, moving along the lower and upper curved planes 12, as well as along the guide and twisting ribs 13 and in contact with the curved grooves, twists and acts on the wind wheel 6, and then through the vent windows 7 released into the environment. As a result, the tower wind turbine moves to a higher level of energy production.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство обеспечивает повышение надежности выработки экологически чистой энергии в любое время суток не зависимо от сезона путем увеличения порога чувствительности эксергии (см., например, стр.115, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980, 469 с.), т.е. работоспособности постоянных воздушных потоков восходящего типа, за счет устранения застойного положения воздуха, поступающего через вытяжную трубу из чердачного помещения на ветроколесо. При этом величина эксергии, обеспечивающая эффективную работу башенного ветродвигателя в постоянном регулируемом режиме, имеет возможность переходить на более высокий уровень в зависимости от погодно-климатических условий эксплуатации жилых и производственных зданий с теплым чердачным помещением путем дополнительного разгона под воздействием солнечной радиации и/или ветровой нагрузки, воздушного потока, действующего на ветроколесо. The advantage of the invention is that the device provides increased reliability of the production of clean energy at any time of the day, regardless of the season, by increasing the exergy sensitivity threshold (see, for example, p. 115, Nashchokin V.V. Technical Thermodynamics and Heat Transfer. M ., 1980, 469 p.), I.e. operability of constant ascending air streams due to the elimination of the stagnant position of the air entering through the exhaust pipe from the attic to the wind wheel. In this case, the magnitude of the exergy, which ensures the efficient operation of the tower wind turbine in a constant controlled mode, has the ability to go to a higher level depending on weather and climatic conditions of operation of residential and industrial buildings with a warm attic by additional acceleration under the influence of solar radiation and / or wind load , air flow acting on a wind wheel.

Claims

A wind turbine containing a tower located on the roof of a building with an attic and made in the form of a vertical confuser with input channels equipped with control dampers, a wind wheel connected by a vertical shaft coaxially mounted inside the exhaust pipe with a generator, a deflector with windows and a weather vane kinematically connected with the control sashes and a mesh fence mounted on the windows, characterized in that the wind turbine is equipped with curved planes with guides and twisting with connecting ribs connecting the confuser to the exhaust pipe, the confuser on the outer surface is covered with a shielding film, and curved grooves are made on its inner surface, longitudinally located from the larger inlet to the smaller outlet.