RU2213253C1

RU2213253C1 - Feather wind turbine

Info

Publication number: RU2213253C1
Application number: RU2002102841/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Сидоров
Original assignee: Сидоров Владимир Вячеславович
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: according to invention feather wind turbine with support, vertical shaft and turnable blades includes sectional hub in form of squirrel cage and rim made up of similar parts clamped together by braces and elastic feathers secured by one end vertically upwards and downwards in hinge joints on rim. Said parts from profile cascades. Elastic limiter installed in hinge joints provides deflection of feather plane position perpendicular to radius within +45^o, with force minimum in middle and rising to maximum in extreme positions. Invention makes it possible to create wind power-generating sets of high output and high torque at high degree of operation reliability. EFFECT: increased efficiency of wind wheel, reduced cost of manufacture. 2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения. Известен быстроходный ветродвигатель с вертикальной осью вращения и малым количеством лопастей (журнал "Наука и Жизнь", 7, 1989 г., стр.19). The invention relates to the field of wind energy, in particular to wind turbines with a vertical axis of rotation. Known high-speed wind turbine with a vertical axis of rotation and a small number of blades (journal "Science and Life", 7, 1989, p.19).

К недостаткам такого колеса относится низкий крутящий момент, не позволяющий использовать его непосредственно для привода компрессора высокого давления, высокая скорость движения лопастей, что опасно для птиц и насекомых и является вредным экологическим фактором. Кроме того, быстро движущиеся лопасти создают шум, что так же не желательно. The disadvantages of such a wheel include low torque, which does not allow it to be used directly to drive a high pressure compressor, the high speed of the blades, which is dangerous for birds and insects and is a harmful environmental factor. In addition, fast-moving blades create noise, which is also not desirable.

Наиболее близким, принятым за прототип, является ветродвигатель с вертикальной осью вращения (RU 2029885 C1, кл. F 03 D 3/00, 3/06 от 27.02.1995). К недостаткам известной конструкции относятся небольшой крутящий момент, шумность, большое лобовое сопротивление ветровому потоку при стабилизации скорости вращения, что опасно при сильных ветрах, несбалансированность колеса, что увеличивает нагрузку на агрегат и снижает его надежность. Большие относительные размеры лопастей, соизмеримые с размерами ветроагрегата, затрудняют производство таких агрегатов промышленным способом, ограничивают максимальные размеры и максимальную единичную мощность ветроколеса. Крепление лопасти на двух кронштейнах придает лишний вес конструкции, а угол разворота более 90^o ограничивает работу лопастей в узком секторе колеса не более 90^o, что приводит к низкому КПД ветродвигателя - до 15%.The closest adopted for the prototype is a wind turbine with a vertical axis of rotation (RU 2029885 C1, class F 03 D 3/00, 3/06 of 02.27.1995). The disadvantages of the known design include a small torque, noise, a large frontal resistance to the wind flow while stabilizing the rotation speed, which is dangerous with strong winds, wheel imbalance, which increases the load on the unit and reduces its reliability. The large relative sizes of the blades, commensurate with the size of the wind turbine, complicate the production of such units in an industrial way, limit the maximum size and maximum unit power of the wind wheel. The mounting of the blades on two brackets gives extra weight to the structure, and the turning angle of more than 90 ^o limits the operation of the blades in a narrow sector of the wheel to no more than 90 ^o , which leads to a low efficiency of the wind turbine - up to 15%.

Технический результат, заключающийся в снижении вредного влияния ветроагрегата на окружающую среду, создании ветроагрегата с большим крутящим моментом и коэффициентом использования ветрового потока до 75%, в возможности строить серийно ветроагрегаты большой мощности - свыше 100 МВт, в возможности массового производства их одинаковых, относительно малогабаритных деталей промышленным способом, обеспечивается за счет того, что перьевая ветротурбина, содержащая опору, вертикальный вал, поворотные лопасти, согласно изобретению состоит из сборной ступицы в виде беличьего колеса и сборного из одинаковых деталей обода, стянутых между собой растяжками, с закрепленными в шарнирах на ободе одним концом вертикально вверх и вниз упругими перьями, образующими решетки профилей, а в шарнирах имеется упругий ограничитель поворота в виде эксцентрика и пневмоподушки. Ограничитель обеспечивает отклонение от перпендикулярного к радиусу положения плоскости пера в пределах ±45^o, с усилием, минимальным в среднем и возрастающим до максимума в крайних положениях. Перо согласно предложенной конструкции состоит из упругого, с возможностью скручивания лонжерона переменного сечения, уменьшающегося от крепления к концу до нуля. На лонжероне закреплены под углом к его оси упругие нервюры клинообразной формы с уменьшающимся сечением от крепления к концу до нуля и закрепленным на образуемой ими поверхности эластичным воздухонепроницаемым материалом.The technical result, which consists in reducing the harmful effect of the wind turbine on the environment, creating a wind turbine with high torque and a wind flow utilization factor of up to 75%, the ability to mass-produce large-capacity wind turbines - over 100 MW, and the possibility of mass production of their identical, relatively small parts in an industrial way, due to the fact that the feather wind turbine containing a support, a vertical shaft, rotary blades, according to the invention consists of ornoy Kit as a squirrel-cage and the collecting of the same parts of the rim, strapped to each other extensions, with fixed in hinges on the rim at one end vertically upward and downward resilient feathers forming a grating profiles, and in hinges has elastic rotation stopper in the form of an eccentric and bellows. The limiter provides a deviation from perpendicular to the radius of the pen plane within ± 45 ^o , with a force that is minimal on average and increases to a maximum in extreme positions. The pen according to the proposed design consists of an elastic, with the possibility of twisting the side member of variable cross section, decreasing from attachment to the end to zero. On the side member, elastic ribs of a wedge-shaped shape are fixed at an angle to its axis with a decreasing section from attachment to the end to zero and elastic airtight material fixed to the surface formed by them.

На фиг.1 изображена первая ветротурбина, общий вид;
на фиг.2 - колесо ветротурбины со ступицей и ободом;
на фиг.3 - перо ветротурбины;
на фиг.4 - сечение лонжерона, вид А-А;
на фиг.5 - крепление пера в гнездах на корпусе пневмоподушки;
на фиг.6 - вид Б-Б по фиг.5;
на фиг.7 - пневмоподушка.Figure 1 shows the first wind turbine, a General view;
figure 2 - wheel of a wind turbine with a hub and rim;
figure 3 - feather of a wind turbine;
figure 4 is a cross-section of the spar, view aa;
figure 5 - mount pen in the slots on the housing of the air bag;
figure 6 is a view of BB in figure 5;
figure 7 - air bag.

Перьевая ветротурбина представляет собой напряженную конструкцию, содержащую опору (не показана), вертикальный вал 1, поворотные лопасти (перья) 6, обод, который собран из одинаковых элементов 7 и притянут к сборной ступицей 3 (в виде беличьего колеса) тросовыми растяжками 4. С внутренней стороны обода на стыке элементов 7 предусматриваются устройства для регулировки натяжения тросовых растяжек 4, которые связывают обод колеса со ступицей 3. Ступица 3 выполнена в виде беличьего колеса. На фланцах ступицы 3 по внутреннему диаметру закреплены опорные ролики (не показаны) для свободного вращения ступицы 3 на полой несущей оси 1. Верхний фланец ступицы 3 соединен с силовым валом 2 привода компрессора (не показан), который проходит внутри оси, нижний конец которого связан с компрессором. A feather wind turbine is a tensile structure containing a support (not shown), a vertical shaft 1, rotary blades (feathers) 6, a rim that is assembled from the same elements 7 and pulled to the prefabricated hub 3 (in the form of a squirrel wheel) with cable ties 4. C On the inner side of the rim at the junction of the elements 7, devices are provided for adjusting the tension of the cable extensions 4, which connect the wheel rim to the hub 3. The hub 3 is made in the form of a squirrel wheel. On the flanges of the hub 3, supporting rollers (not shown) are fixed on the inner diameter for free rotation of the hub 3 on the hollow bearing axis 1. The upper flange of the hub 3 is connected to the power shaft 2 of the compressor drive (not shown), which extends inside the axis, the lower end of which is connected with compressor.

Перо 6 для ветротурбины состоит из упругого, способного к скручиванию лонжерона 10 переменного сечения, уменьшающегося от корневой части к его концу 10' до нуля. Для того чтобы лонжерон 10 имел упругую податливость к скручиванию, его сечение имеет вид незамкнутого кольца. На лонжероне 10 закреплены упругие нервюры 8 клинообразной формы с прямоугольным сечением, уменьшающимся от корневой части к концу 8' до нуля. Длина нервюр 8 уменьшается по мере приближения точки их крепления к концу лонжерона 10. На образуемую ими поверхность наклеивается эластичный воздухонепроницаемый материал 9. Перья 6 закрепляются гнездами 11 снизу и сверху в одном общем шарнире 5, который находится в корпусе пневмоподушки 14, имеющейся на каждом стыке деталей 7 обода. Гнезда 11 позволяют быстро и легко монтировать их во время сборки агрегата или демонтировать при ремонте или замене, а так же регулировать положение плоскости пера 6 относительно радиуса колеса. The feather 6 for a wind turbine consists of an elastic, capable of twisting spar 10 of variable cross section, decreasing from the root to its end 10 'to zero. In order for the spar 10 to have elastic twist compliance, its cross section has the form of an open ring. On the spar 10, elastic ribs 8 are wedge-shaped with a rectangular cross section, decreasing from the root to the end 8 'to zero. The length of the ribs 8 decreases as the attachment point approaches the end of the spar 10. An air-tight elastic material 9 is glued to the surface formed by them. The feathers 6 are secured by sockets 11 from below and from above in one common hinge 5, which is located in the housing of the air bag 14 at each junction 7 rim parts. Slots 11 allow you to quickly and easily mount them during assembly of the unit or to dismantle during repair or replacement, as well as adjust the position of the plane of the pen 6 relative to the radius of the wheel.

Пневмоподушка 14 представляет собой тарельчатый корпус 17 с закрепленной на нем мягкой мембраной 16 и корпусом 15 шарнира 5 пера 6. На мембране 16 закреплен металлический подпятник 13, а под мембраной 16 имеется полость с воздухом под некоторым давлением Р. Шарнир 5 с гнездами 11 через эксцентрик 12 опирается на подпятник 13, закрепленный на мембране 16. Давление Р, воздействуя на мембрану 16 и подпятник 13, препятствует повороту эксцентрика 12 и в зависимости от прилагаемой нагрузки обеспечивает возврат пера 6 в среднее положение, соответствующее перпендикулярному к радиусу положению плоскости пера. Пневмоподушка 14 позволяет оптимально отрегулировать усилие ограничителя поворота непосредственно во время работы перьевой ветротурбины и при необходимости отключить ее действие в аварийных ситуациях. Вращающий момент пневмоподушки 14 минимален в среднем положении и максимален до полного ограничения в крайних положениях, соответствующих ±45^o от среднего положения эксцентрика 12. Для выключения перьевой ветротурбины достаточно выпустить воздух из пневмоподушки 14, и все перья 6 встанут по ветру, тем самым выключив агрегат из работы.The air cushion 14 is a disk-shaped housing 17 with a soft membrane 16 fixed thereon and a housing 15 of the hinge 5 of pen 6. A metal thrust bearing 13 is fixed to the membrane 16, and under the membrane 16 there is a cavity with air under some pressure P. Hinge 5 with sockets 11 through an eccentric 12 relies on a thrust bearing 13 mounted on the membrane 16. The pressure P, acting on the membrane 16 and thrust bearing 13, prevents the eccentric 12 from turning and, depending on the applied load, returns pen 6 to the middle position corresponding to the perpendicular angles to the radius position of the plane of the pen. The air bag 14 allows you to optimally adjust the force of the rotation limiter directly during the operation of the feather wind turbine and, if necessary, turn off its action in emergency situations. The torque of the air cushion 14 is minimal in the middle position and maximum until it is completely limited in the extreme positions corresponding to ± 45 ^o from the middle position of the eccentric 12. To turn off the feather wind turbine, it is enough to release air from the air cushion 14, and all feathers 6 will stand upwind, thereby turning off the unit out of work.

Ветровой поток принимается решеткой профилей, состоящей из часто поставленных перьев 6 сначала на фронтальной стороне колеса, а затем на тыльной. Перья 6 под действием аэродинамических сил и упругого ограничителя (полость с воздухом) в активном секторе турбины встают под углом к потоку, который эффективно отклоняется, в результате чего возникает сила тяги, направленная под углом, близким 45^o к радиусу перьевой ветротурбины, которая суммируется на ободе и передается на ступицу 3 по тросовым растяжкам 4, что приводит к вращению ступицы 3, фланцы которой соединены, например, с приводом компрессора, где преобразуется полученная энергия.The wind flow is received by a profile grid consisting of frequently placed feathers 6, first on the front side of the wheel and then on the rear. Feathers 6 under the action of aerodynamic forces and an elastic limiter (cavity with air) in the active sector of the turbine stand at an angle to the flow, which is effectively deflected, resulting in a thrust force directed at an angle close to 45 ^o to the radius of the feather wind turbine, which is summed by the rim and is transmitted to the hub 3 via cable ties 4, which leads to the rotation of the hub 3, the flanges of which are connected, for example, to the compressor drive, where the received energy is converted.

Claims

1. Feather wind turbine containing a support, a vertical shaft, rotary blades, characterized in that it consists of a prefabricated hub in the form of a squirrel wheel and a prefabricated of identical parts of the rim, strapped together by braces, with one end vertically mounted in hinges on the rim vertically up and down elastic feathers forming the lattice of the profiles, and in the hinges there is an elastic limiter that provides a deviation from the perpendicular to the radius of the position of the pen plane within ± 45 ^o , with a force that is minimal on average and increases to m maximum in extreme positions.

2. Feather wind turbine according to claim 1, characterized in that the feather consists of an elastic, with the possibility of twisting the side member of variable cross section, decreasing from attachment to the end to zero, on which elastic wedge-shaped ribs are fixed at an angle to the side member with decreasing section from attachment to end to zero and attached to the surface formed by them with an elastic airtight material.