RU2251023C1 - Windmill orthogonal rotor - Google Patents

Windmill orthogonal rotor Download PDF

Info

Publication number
RU2251023C1
RU2251023C1 RU2003131820/06A RU2003131820A RU2251023C1 RU 2251023 C1 RU2251023 C1 RU 2251023C1 RU 2003131820/06 A RU2003131820/06 A RU 2003131820/06A RU 2003131820 A RU2003131820 A RU 2003131820A RU 2251023 C1 RU2251023 C1 RU 2251023C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
rotor according
shaft
angular velocity
bracket
Prior art date
Application number
RU2003131820/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Б.Л. Историк (RU)
Б.Л. Историк
к М.С. Руд (RU)
М.С. Рудяк
нский Ю.Б. Шпол (RU)
Ю.Б. Шполянский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Объединение "Ингеоком"
Историк Борис Львович
Рудяк Михаил Семенович
Шполянский Юлий Борисович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Объединение "Ингеоком", Историк Борис Львович, Рудяк Михаил Семенович, Шполянский Юлий Борисович filed Critical Закрытое акционерное общество "Объединение "Ингеоком"
Priority to RU2003131820/06A priority Critical patent/RU2251023C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2251023C1 publication Critical patent/RU2251023C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Landscapes

  • Wind Motors (AREA)

Abstract

FIELD: wind power engineering.
SUBSTANCE: invention is designed for use in windmills whose rotating blades are parallel to axis of rotation. Proposed rotor contains rotating shaft designed for mounting in one or more supports of windmill, and one or several brackets secured on rotating shaft and equipped with brake panel. Wind profile rotating blade is rigidly secured on each bracket parallel to rotation shaft. Brake panel is connected with angular speed pickup through kinematic coupling unit, and is connected through elastic coupling element with rotor member stationary relative to rotating shaft.
EFFECT: improved aerodynamic characteristics, increased efficiency, provision of limiting of rotor speed and accuracy of maintaining its nominal value.
15 cl, 8 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области ветроэнергетики и предназначено для использования в ветродвигателях, вращающие лопасти которых параллельны оси вращения. Роторы таких двигателей получили название ортогональных, поскольку ось их вращения ортогональна направлению воздушного потока. Ортогональные роторы, как правило, используются в ветродвигателях с вертикальной осью вращения, поскольку при этом они не нуждаются в ориентировании по направлению ветра.The invention relates to the field of wind energy and is intended for use in wind turbines, the rotating blades of which are parallel to the axis of rotation. The rotors of such engines are called orthogonal, since the axis of their rotation is orthogonal to the direction of air flow. Orthogonal rotors are typically used in wind turbines with a vertical axis of rotation, since they do not need to be oriented in the direction of the wind.

Уровень техники.The level of technology.

Известен ортогональный ротор ветродвигателя, содержащий вал вращения, предназначенный для размещения в вертикальной опорной стойке ветродвигателя, и закрепленные на валу вращения кронштейны, каждый из которых снабжен вертикальной лопастью крыловидного профиля (вертикальным крылом) и тормозным щитком. При этом лопасть и тормозной щиток установлены с возможностью поворота относительно оси кронштейна и закреплены на внешнем конце торсиона (упругого на закручивание стержня), внутренний конец которого закреплен в основании кронштейна (патент RU 2039309, МПК F 03 D 7/06 [1]).Known orthogonal rotor of a wind turbine containing a rotation shaft designed to be placed in a vertical support stand of the wind turbine, and brackets fixed to the rotation shaft, each of which is equipped with a vertical wing-shaped blade (vertical wing) and a brake flap. In this case, the blade and the brake flap are mounted with the possibility of rotation about the axis of the bracket and are fixed on the outer end of the torsion bar (elastic to twist the rod), the inner end of which is fixed to the base of the bracket (patent RU 2039309, IPC F 03 D 7/06 [1]).

В устройстве [1] лопасти, помимо основной функции (вращение ротора), выполняют функцию датчика угловой скорости, поворачивающегося относительно оси кронштейна при возрастании угловой скорости. Поворот лопасти - датчика - относительно оси кронштейна вызывает поворот тормозного щитка, закрепленного на том же конце торсиона, в результате чего возрастает аэродинамическое сопротивление ротора и ограничивается максимальная частота его вращения.In the device [1], the blades, in addition to the main function (rotor rotation), perform the function of an angular velocity sensor that rotates about the axis of the bracket with increasing angular velocity. The rotation of the blade - the sensor - relative to the axis of the bracket causes the rotation of the brake flap mounted on the same end of the torsion bar, as a result of which the aerodynamic resistance of the rotor increases and the maximum frequency of its rotation is limited.

Торсион в устройстве [1] выполняет функцию упругого элемента, удерживающего лопасть и щиток в исходном положении, соответствующем минимальному аэродинамическому сопротивлению.The torsion bar in the device [1] performs the function of an elastic element holding the blade and shield in the initial position corresponding to the minimum aerodynamic drag.

Недостаток технического решения [1] - высокие требования, предъявляемые к торсиону, слабость крепления лопасти (она крепится в одной точке к торсиону) и большие консольные вылеты лопасти относительно точки крепления. Предложенное там же дополнительное техническое решение по усилению крепления лопасти профилированными оттяжками потребовало введения дополнительной вращающейся опоры в основании кронштейна, что усложняет и удорожает конструкцию.The disadvantage of the technical solution [1] is the high requirements for the torsion bar, the weakness of the blade attachment (it is attached at one point to the torsion bar) and the large cantilever flights of the blade relative to the attachment point. An additional technical solution proposed there to strengthen the blade fastening with profiled guy rods required the introduction of an additional rotating support at the base of the bracket, which complicates and increases the cost of the design.

Кроме того, поворот тормозного щитка и лопасти на один и тот же угол приводит к тому, что максимальная частота вращения ротора значительно превышает номинальную частоту (в 1,4 раза).In addition, the rotation of the brake flap and the blade at the same angle leads to the fact that the maximum rotational speed of the rotor is significantly higher than the nominal frequency (1.4 times).

Известен выбранный в качестве прототипа ортогональный ротор ветродвигателя, содержащий вал вращения, предназначенный для установки в вертикальной опорной стойке ветродвигателя, и закрепленные на валу вращения кронштейны, на каждом из которых жестко закреплена вращающая лопасть крыловидного профиля (патент RU 2136960, МПК F 03 D 7/06 [2]. В устройстве-прототипе каждый кронштейн (названный в [2] траверсой) снабжен полукрылом, выполняющим функцию тормозного щитка, и жестко закрепленной на концевой части полукрыла дополнительной лопастью уменьшенных размеров, выполняющей функцию датчика угловой скорости. Для этого полукрыло установлено с возможностью поворота относительно оси кронштейна, который выполнен полым и снабжен торсионом, концы которого закреплены в корневых частях кронштейна и полукрыла.Known as a prototype orthogonal rotor of a wind turbine is known, comprising a rotation shaft intended for installation in a vertical support stand of the wind turbine and brackets fixed to the rotation shaft, on each of which a wing-shaped rotary blade is rigidly fixed (patent RU 2136960, IPC F 03 D 7 / 06 [2]. In the prototype device, each bracket (called a traverse in [2]) is equipped with a half-wing acting as a brake flap and rigidly fixed on the end part of the half-wing with an additional blade of reduced dimensions, which performs the function of an angular velocity sensor, for which a half-wing is mounted rotatably relative to the axis of the bracket, which is hollow and equipped with a torsion bar, the ends of which are fixed in the root parts of the bracket and half-wing.

Благодаря жесткой связи основной лопасти с кронштейном она может быть выполнена увеличенных размеров и без использования вспомогательных подшипниковых узлов закреплена на валу вращения ротора дополнительными кронштейнами, профилированными оттяжками или другими конструктивными элементами, неподвижными относительно вала вращения. Уменьшенные размеры дополнительной лопасти снижают требования к торсиону, что соответственно уменьшает его размеры, массу и стоимость.Due to the rigid connection of the main blade with the bracket, it can be made oversized and without the use of auxiliary bearing units mounted on the shaft of rotation of the rotor with additional brackets, profiled guy wires or other structural elements, stationary relative to the shaft of rotation. The reduced dimensions of the additional blade reduce the requirements for the torsion bar, which accordingly reduces its size, weight and cost.

Недостаток прототипа - дополнительные аэродинамические потери и снижение КПД в режиме номинальной частоты вращения.The disadvantage of the prototype is additional aerodynamic losses and reduced efficiency in the nominal speed mode.

Это обусловлено тем, что выполняющая в роторе-прототипе функцию датчика угловой скорости дополнительная лопасть закреплена вместе с полукрылом с внешней стороны основной вращающей лопасти и поэтому затеняет ее от ветра, уменьшая тянущую силу. Это уменьшение тянущей силы основной вращающей лопасти не компенсируется полностью тянущей силой дополнительной лопасти.This is due to the fact that the additional blade performing the function of the angular velocity sensor in the rotor prototype is fixed together with the wing on the outside of the main rotating blade and therefore obscures it from the wind, reducing the pulling force. This decrease in the pulling force of the main rotary blade is not compensated by the fully pulling force of the additional blade.

Еще одна причина дополнительных аэродинамических потерь, общая для устройств [1] и [2], состоит в том, что тормозной щиток начинает поворачиваться и выходит из горизонтального положения, соответствующего минимуму аэродинамических потерь, преждевременно - еще до достижения ротором номинальной частоты вращения.Another reason for additional aerodynamic losses, common to devices [1] and [2], is that the brake flap begins to rotate and leaves the horizontal position corresponding to the minimum aerodynamic losses, prematurely - even before the rotor reaches its rated speed.

Задача изобретения - улучшение аэродинамики, повышение КПД, надежности ограничения частоты вращения ротора и точности поддержания ее номинального значения.The objective of the invention is to improve aerodynamics, increase efficiency, reliability of limiting the rotor speed and accuracy of maintaining its nominal value.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Предметом изобретения является ортогональный ротор ветродвигателя, содержащий вал вращения, предназначенный для установки, по меньшей мере, в одной опоре ветродвигателя, и, по меньшей мере, один закрепленный на валу вращения и снабженный тормозным щитком кронштейн, на котором параллельно валу вращения жестко закреплена вращающая лопасть крыловидного профиля, при этом тормозной щиток через блок кинематической связи соединен с датчиком угловой скорости и через упругий элемент связан с элементом конструкции ротора, неподвижным относительно вала вращения.The subject of the invention is an orthogonal rotor of a wind turbine, comprising a rotation shaft, intended for installation in at least one support of the wind turbine, and at least one bracket fixed to the rotation shaft and provided with a brake flap, on which a rotating blade is rigidly fixed parallel to the rotation shaft wing-shaped profile, while the brake flap through the kinematic connection unit is connected to the angular velocity sensor and through an elastic element is connected to the rotor design element, motionless no rotation of the shaft.

Эта совокупность признаков позволяет улучшить аэродинамику и КПД ротора.This set of features can improve the aerodynamics and efficiency of the rotor.

Изобретение имеет развития.The invention has a development.

Одно из них состоит в том, что датчик угловой скорости установлен с отклонением его оси от плоскости тормозного щитка на 70-90 градусов, а упругий элемент предварительно напряжен дополнительно введенным ограничителем перемещения.One of them is that the angular velocity sensor is installed with a deviation of its axis from the plane of the brake flap by 70-90 degrees, and the elastic element is pre-stressed by an additionally introduced displacement limiter.

Это позволяет повысить точность поддержания номинального значения частоты вращения и надежность ее ограничения допустимой величиной при сохранении улучшенных аэродинамических качеств и КПД ротора.This improves the accuracy of maintaining the nominal value of the rotational speed and the reliability of its limitation by an acceptable value while maintaining the improved aerodynamic qualities and rotor efficiency.

Другое развитие изобретения состоит в том, что блок кинематической связи может быть выполнен в виде вала поворота или в виде мультипликатора, на тихоходном валу которого размещается датчик угловой скорости, а на быстроходном - тормозной щиток. При этом мультипликатор может быть выполнен либо на основе зубчатой (цилиндрической или конической) или цепной передачи, либо на основе рычажно-шарнирного механизма. Использование мультипликатора в качестве блока кинематической связи позволяет дополнительно повысить эффективность стабилизации номинальной частоты вращения вала, а возможность выбора модификаций мультипликатора позволяет оптимизировать конструкторскую компоновку элементов ротора в частных случаях его исполнения. Предпочтительный коэффициент передачи мультипликатора лежит в пределах от 2-х до 5-ти.Another development of the invention is that the kinematic communication unit can be made in the form of a rotation shaft or in the form of a multiplier, on a slow-moving shaft of which an angular velocity sensor is located, and on a high-speed one - a brake flap. In this case, the multiplier can be made either on the basis of a gear (cylindrical or bevel) or chain transmission, or on the basis of a lever-hinge mechanism. Using the multiplier as a kinematic communication unit can further improve the stabilization efficiency of the nominal shaft speed, and the choice of multiplier modifications allows you to optimize the design layout of the rotor elements in particular cases of its execution. The preferred transmission coefficient of the multiplier is in the range from 2 to 5.

Для частного случая реализации ротора с двумя и более кронштейнами дальнейшее развитие изобретения предусматривает возможность осуществления кинематической связи между всеми тормозными щитками ротора с помощью общего элемента (например, конической шестерни), введенного в блок кинематической связи.For a special case of the implementation of the rotor with two or more brackets, the further development of the invention provides for the possibility of kinematic communication between all the brake flaps of the rotor using a common element (for example, a bevel gear) introduced into the kinematic communication unit.

Это позволяет обеспечить лучшую сбалансированность ротора в процессе его торможения щитками.This allows for better balance of the rotor during braking by the shields.

Другие развития изобретения предусматривают различные исполнения упругого элемента:Other development of the invention include various versions of the elastic element:

- в виде одного торсиона, размещенного в полости блока кинематической связи;- in the form of one torsion placed in the cavity of the kinematic communication unit;

- в виде пружины кручения, охватывающей вал блока кинематической связи;- in the form of a torsion spring, covering the shaft of the kinematic communication unit;

- комбинированным - в виде одного торсиона и кинематически связанной с ним пружины кручения;- combined - in the form of one torsion bar and torsion kinematically connected with it;

а также различные варианты размещения датчика угловой скорости:as well as various options for placing the angular velocity sensor:

- на кронштейне;- on the bracket;

- в полости, выполненной во вращающей лопасти;- in a cavity made in a rotating blade;

- в полой ступице, выполненной на валу вращения.- in a hollow hub made on a shaft of rotation.

Эти развития позволяют оптимизировать конструкцию ротора в частных случаях его реализации.These developments allow optimizing the design of the rotor in particular cases of its implementation.

Еще одно развитие изобретения предусматривает двухконсольное выполнение кронштейна с размещением тормозного щитка на основной консоли кронштейна, а датчика угловой скорости - на его дополнительной укороченной консоли.Another development of the invention provides for two-console implementation of the bracket with the brake flap on the main console of the bracket, and the angular velocity sensor on its additional shortened console.

Такая модификация конструкции ротора позволяет использовать в качестве упругого элемента торсион с большим отношением длины к диаметру, что снижает касательные напряжения, возникающие в торсионе при его закручивании.This modification of the rotor design allows the use of a torsion with a large ratio of length to diameter as an elastic element, which reduces the shear stresses that arise in the torsion when it is twisted.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1-4 иллюстрируют пример осуществления изобретения (с учетом его развития) в трехлопастном роторе. На фиг.1 и 2 представлен пример выполнения ротора с двухконсольными кронштейнами, на фиг.3 и 4 - с одноконсольными. На фиг.1, 3 представлен общий вид ротора, установленного в опорную стойку ветродвигателя, на фиг.2, 4 - его вид в плане. На фиг.5, иллюстрирующей пример размещения датчика на одноконсольном кронштейне, представлен поперечный разрез кронштейна в плоскости, проходящей через ось датчика. Фиг.6 иллюстрирует пример выполнения мультипликатора с размещением его в ступице вала вращения. Фиг.7 и 8 иллюстрируют усиление крепления лопастей дополнительно установленными оттяжками.Figure 1-4 illustrate an example embodiment of the invention (taking into account its development) in a three-blade rotor. Figure 1 and 2 shows an example of a rotor with two-console brackets, figure 3 and 4 with single-console. In Fig.1, 3 presents a General view of the rotor installed in the support rack of the wind turbine, Fig.2, 4 - its view in plan. Figure 5, illustrating an example of the placement of the sensor on a single-console bracket, presents a transverse section of the bracket in a plane passing through the axis of the sensor. 6 illustrates an example of a multiplier with its placement in the hub of the rotation shaft. 7 and 8 illustrate the reinforcement of the mounting of the blades with additionally installed guy wires.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1-4 показаны:Figure 1-4 shows:

1 - опора ветродвигателя;1 - support of a wind turbine;

2 - вал вращения ротора, установленный в опору 1;2 - shaft of rotation of the rotor installed in the support 1;

3 - ступица, выполненная на валу 2;3 - the hub made on the shaft 2;

4 - кронштейны, закрепленные на ступице 3 (см. фиг.3, 4);4 - brackets mounted on the hub 3 (see Fig.3, 4);

5 - вращающие лопасти крыловидного профиля, установленные на кронштейнах 4;5 - rotating wing-shaped blades mounted on brackets 4;

6 - тормозные щитки, которыми снабжены кронштейны 4;6 - brake flaps, which are equipped with brackets 4;

7 - валы поворота, представляющие собой частный случай выполнения блока кинематической связи;7 - rotation shafts, representing a special case of the execution of the kinematic communication unit;

8 - датчики угловой скорости ротора, каждый из которых соединен валом 7 с тормозным щитком 6;8 - rotor angular velocity sensors, each of which is connected by a shaft 7 to the brake flap 6;

9 - основная консоль кронштейна (см. фиг.1 и 2);9 - the main bracket bracket (see figures 1 and 2);

10 - дополнительная укороченная консоль кронштейна (см. фиг.1 и 2);10 - additional shortened bracket bracket (see figures 1 and 2);

11 - упругие элементы, выполненные в виде торсионов;11 - elastic elements made in the form of torsions;

12 - ограничители углового перемещения.12 - limiters of angular displacement.

Представленный на фиг.1-4 пример реализации изобретения относится к ротору с валом 2, предназначенным для вертикальной установки в одной опоре 1 ветродвигателя. В местах с преобладающим или постоянным направлением ветра (например, в ущельях) изобретение может быть реализовано (при очевидном изменении фигур) с валом 2, предназначенным для горизонтальной установки в двух опорах 1.Presented in figures 1-4, an example implementation of the invention relates to a rotor with a shaft 2, designed for vertical installation in one support 1 of a wind turbine. In places with a predominant or constant wind direction (for example, in gorges), the invention can be implemented (with an obvious change in the figures) with a shaft 2 intended for horizontal installation in two supports 1.

На фиг.1 и 2 представлен пример выполнения ротора с двухконсольными кронштейнами 4, когда тормозные щитки 6 размещены на периферийном конце основных консолей 9 кронштейна 4 за лопастями 5, а датчики 8 - на дополнительных укороченных консолях 10, установленных с противоположной стороны ступицы 3.Figures 1 and 2 show an example of a rotor with two-console brackets 4, when the brake flaps 6 are placed on the peripheral end of the main consoles 9 of the bracket 4 behind the blades 5, and the sensors 8 are located on additional shortened consoles 10 mounted on the opposite side of the hub 3.

На фиг.3 и 4 показан пример выполнения ротора с одноконсольными кронштейнами, когда тормозные щитки 6 также размещены на периферии кронштейнов, а датчики 8 размещены в полости ступицы 3.Figures 3 and 4 show an example of a rotor with single-console brackets, when the brake flaps 6 are also located on the periphery of the brackets, and the sensors 8 are placed in the cavity of the hub 3.

Показанные на фиг.1- 4 ступица 3, кронштейны 4 и щитки 6 выполнены полыми. В полости каждого кронштейна 4, отверстии, выполненном в лопасти 5, и в полости ступицы 3 расположен вал 7.Shown in figures 1 to 4, the hub 3, the brackets 4 and the shields 6 are made hollow. In the cavity of each bracket 4, the hole made in the blade 5, and in the cavity of the hub 3 is a shaft 7.

Кронштейны 4 или его консоли 9 и 10 (в случае двухконсольного исполнения) выполнены в виде трубы, закрытой обтекателем.The brackets 4 or its console 9 and 10 (in the case of a two-console version) are made in the form of a pipe closed by a cowl.

На фиг.1 - 4 показан наиболее простой вариант выполнения кинематической связи между щитком 6 и датчиком 8 - они жестко закреплены на общем валу 7. При этом датчик 8 установлен перпендикулярно валу 7, а щиток 6 так, что в его плоскости лежит ось вала 7.Figure 1 - 4 shows the simplest embodiment of the kinematic connection between the shield 6 and the sensor 8 - they are rigidly fixed to a common shaft 7. In this case, the sensor 8 is installed perpendicular to the shaft 7, and the shield 6 so that the axis of the shaft 7 lies in its plane .

В примере, показанном на фиг.1 и 2, датчики 8 выполнены в виде коротких лопастей крыловидного профиля, установленных на дополнительной укороченной консоли 10, на фиг.3 и 4 показан пример выполнения датчиков в виде стержней, размещенных в полой ступице 3. На фиг.6 показан случай выполнения датчика 8 в виде гантели.In the example shown in FIGS. 1 and 2, the sensors 8 are made in the form of short wing-shaped blades mounted on an additional shortened console 10; FIGS. 3 and 4 show an example of sensors in the form of rods placed in the hollow hub 3. In FIG. .6 shows the case of the sensor 8 in the form of a dumbbell.

Показанные на фиг.1 и 2 валы 7 перекрещиваются внутри ступицы 3. Поэтому они выполнены со смещением по вертикали друг относительно друга на величину, немного превышающую диаметр этих валов.Shafts 7 and 1 shown in FIGS. 1 and 2 intersect inside the hub 3. Therefore, they are made vertically offset from each other by an amount slightly larger than the diameter of these shafts.

Каждый вал 7 выполнен в виде трубы круглого сечения, внутри которой помещен торсион (длинный тонкий стержень) 11, выполняющий функцию упругого элемента. Один (поворотный) конец торсиона 11 прикреплен к щитку 6 (см. узел А на фиг.1), а другой (фиксированный) - к элементу конструкции ротора, неподвижному относительно вала 2. В примере, показанном на фиг.1, 2, фиксированный конец торсиона крепится к консоли 10, а на фиг.3. 4 - к крепежному элементу 13 (см. узел А на фиг.3), установленному в полости ступицы 3. Крепление конца торсиона 11 к консоли 10 обеспечивается также с помощью соответствующего крепежного элемента (на фигурах не показан), который размещается в прорезях, выполненных в стенках полого вала 7.Each shaft 7 is made in the form of a pipe of circular cross section, inside which a torsion bar (long thin rod) 11 is placed, which performs the function of an elastic element. One (rotary) end of the torsion bar 11 is attached to the flap 6 (see node A in figure 1), and the other (fixed) to the rotor structure element, fixed relative to the shaft 2. In the example shown in figures 1, 2, fixed the end of the torsion bar is attached to the console 10, and in Fig.3. 4 - to the fastening element 13 (see node A in figure 3) installed in the cavity of the hub 3. The end of the torsion 11 is secured to the console 10 also by means of the corresponding fastening element (not shown in the figures), which is located in the slots made in the walls of the hollow shaft 7.

Другой возможный вариант размещения датчика 8 при одноконсольном выполнении кронштейна (не требующий выполнения полой ступицы на валу 2) иллюстрирует фиг.5, на которой датчик 8 размещен на участке вала 7, проходящем внутри кронштейна 4. Как показано на фиг.5 в стенке кронштейна 4, выполненного в виде трубы, закрытой обтекателем, имеются прорези 14 для размещения датчика 8, в исходном состоянии упирающегося в ограничитель 12.Another possible option for the placement of the sensor 8 in a single-console implementation of the bracket (not requiring a hollow hub on the shaft 2) is illustrated in FIG. 5, in which the sensor 8 is located on a portion of the shaft 7 extending inside the bracket 4. As shown in FIG. 5 in the wall of the bracket 4 made in the form of a pipe closed by a fairing, there are slots 14 for accommodating the sensor 8, which in the initial state abuts against the limiter 12.

Возможен также вариант размещения датчика 8 в полости, выполненной в лопасти 5, не показанной на фигурах.It is also possible placement of the sensor 8 in the cavity made in the blades 5, not shown in the figures.

В примерах выполнения ротора, представленных на фиг.1-4, щиток 6 размещен за лопастью 5. Возможен также, например, вариант размещения щитка 6 с внутренней стороны лопасти 5, примененный в [1].In the examples of the rotor shown in figures 1-4, the shield 6 is placed behind the blade 5. It is also possible, for example, to place the shield 6 on the inside of the blade 5, used in [1].

Как видно на фиг.2 (вид по стрелке С) и на фиг.5, датчик 8 установлен на валу 7 с небольшим наклоном в α0 градусов относительно вертикальной оси (α0 не превышает 20°). Щиток 6 в исходном состоянии занимает горизонтальное положение, и, следовательно, угол между плоскостью щитка 6 и осью датчика 8, установленными на валу 7, составляет (90 - α0) градусов. При этом упругий элемент 11 с помощью ограничителя 12 углового перемещения предварительно напряжен так, чтобы угол его закручивания также составлял α0 градусов.As can be seen in figure 2 (view along arrow C) and figure 5, the sensor 8 is mounted on the shaft 7 with a slight slope of α 0 degrees relative to the vertical axis (α 0 does not exceed 20 °). The shield 6 in the initial state occupies a horizontal position, and, therefore, the angle between the plane of the shield 6 and the axis of the sensor 8 mounted on the shaft 7 is (90 - α 0 ) degrees. In this case, the elastic element 11 using the limiter 12 of the angular displacement is pre-stressed so that the angle of twist is also α 0 degrees.

Блок кинематической связи может быть выполнен в виде мультипликатора. На фиг.6 в качестве примера показан мультипликатор, имеющий тихоходный вал 15, быстроходный вал 16 и преобразователь угловых перемещений в виде цилиндрических шестерней 17 и 18, насаженных на эти валы. Валы 15 и 16 установлены в подшипниковых опорах 19. На валу 15 закреплен датчик 8, а на валу 16 - щиток 6, который на фиг.6 не показан. Упругий элемент, выполненный в виде торсиона 11, размещен в полости вала 16. Неподвижный конец торсиона 11, как и на фиг.3 (узел А), закреплен элементом 13, а другой (подвижный) конец закреплен в полости щитка 6 так, как показано на фиг.1 (узел А). Возможна также установка второго торсиона внутри полого вала 15.The kinematic communication unit can be made in the form of a multiplier. Figure 6 shows, by way of example, a multiplier having a low-speed shaft 15, a high-speed shaft 16, and an angular displacement transducer in the form of cylindrical gears 17 and 18 mounted on these shafts. The shafts 15 and 16 are installed in the bearing bearings 19. A sensor 8 is fixed on the shaft 15, and a shield 6 is mounted on the shaft 16, which is not shown in Fig. 6. An elastic element made in the form of a torsion bar 11 is placed in the cavity of the shaft 16. The fixed end of the torsion bar 11, as in FIG. 3 (node A), is fixed by the element 13, and the other (movable) end is fixed in the cavity of the shield 6 as shown figure 1 (node A). It is also possible to install a second torsion bar inside the hollow shaft 15.

Упругий элемент 11 может быть выполнен в виде пружины любого типа с соответствующими приспособлениями, например, в виде одной или более пружин кручения, охватывающих валы блока кинематической связи (вал 7 на фиг.1-4 или валы 15 и 16, показанные на фиг.6). При этом один из концов пружины кручения крепится к соответствующему валу, а другой - к какому-либо конструктивному элементу ротора, неподвижному относительно вала 2.The elastic element 11 can be made in the form of a spring of any type with appropriate devices, for example, in the form of one or more torsion springs covering the shafts of the kinematic coupling unit (shaft 7 in Figs. 1-4 or shafts 15 and 16 shown in Fig. 6 ) In this case, one of the ends of the torsion spring is attached to the corresponding shaft, and the other to any structural element of the rotor, stationary relative to the shaft 2.

Возможно также использование комбинированного упругого элемента в виде торсиона и кинематически связанной с ним пружины кручения. При этом, например, в валу 15 размещен торсион, а вал 16 охвачен пружиной кручения. В другом случае в каждом из валов 15 и 16 может быть размещен торсион и каждый из валов охвачен пружиной кручения.It is also possible to use a combined elastic element in the form of a torsion bar and a torsion spring kinematically connected with it. In this case, for example, a torsion bar is placed in the shaft 15, and the shaft 16 is covered by a torsion spring. In another case, a torsion bar can be placed in each of the shafts 15 and 16 and each of the shafts is surrounded by a torsion spring.

Возможность использования упругих элементов различного вида позволяет оптимизировать конструкцию ротора в частных случаях его реализации.The possibility of using elastic elements of various types allows optimizing the design of the rotor in particular cases of its implementation.

Преобразователь угловых перемещений мультипликатора может быть также выполнен на основе рычажно-шарнирного механизма, конической зубчатой или цепной передачи.The converter of angular movements of the multiplier can also be made on the basis of a lever-articulated mechanism, a bevel gear or chain transmission.

Показанный на фиг.6 преобразователь угловых перемещений вместе с датчиком 8 размещен в ступице 3. Возможны другие варианты их размещения - в полостях кронштейна 4 или лопастей 5.Shown in Fig.6, the angular displacement transducer together with the sensor 8 is placed in the hub 3. Other options for their placement are possible - in the cavities of the bracket 4 or blades 5.

Использование мультипликатора в качестве блока кинематической связи позволяет дополнительно повысить эффективность стабилизации номинальной частоты вращения вала 2 за счет увеличения угла поворота щитка 6 по сравнению с углом поворота датчика 8.The use of the multiplier as a kinematic communication unit can further improve the stabilization efficiency of the nominal speed of the shaft 2 by increasing the angle of rotation of the shield 6 compared with the angle of rotation of the sensor 8.

Использование различных вариантов мультипликатора вместо вала поворота позволяет расширить конструктивные возможности компоновки дополнительных консолей 10 с датчиками 8 по отношению к основным консолям 9 (размещение консолей 9 и 10 под углом друг к другу или друг под другом).The use of various options of the multiplier instead of the rotation shaft allows you to expand the design capabilities of the layout of additional consoles 10 with sensors 8 relative to the main consoles 9 (placement of consoles 9 and 10 at an angle to each other or under each other).

В блок кинематической связи может быть введен общий элемент, например коническая шестерня, связывающий все тормозные щитки.A common element can be introduced into the kinematic communication unit, for example, a bevel gear connecting all the brake flaps.

Это позволяет обеспечить более точную центральную симметрию элементов ротора при отклонении тормозных щитков 6 от исходного положения и тем самым улучшить сбалансированность ротора в процессе торможения.This allows for more accurate central symmetry of the rotor elements when the brake flaps 6 deviate from the initial position and thereby improve the balance of the rotor during braking.

При увеличении размеров лопастей 5 их крепление может быть усилено с помощью дополнительно установленных кронштейнов и/или оттяжек обтекаемой формы. На фиг.7 и 8 показан пример выполнения ротора с усилением крепления лопастей 5 оттяжками 20, которые соединяют дополнительные элементы ступицы (стойку 21 и юбку 22) с лопастями 5.With the increase in the size of the blades 5, their fastening can be strengthened with the help of additionally installed brackets and / or streamlined braces. 7 and 8 show an example of a rotor with reinforcing the fastening of the blades 5 by guy wires 20, which connect additional elements of the hub (rack 21 and skirt 22) with blades 5.

Ротор, установленный в опорную стойку 1 ветродвигателя, работает следующим образом.The rotor installed in the support rack 1 of the wind turbine operates as follows.

В исходном положении (при отсутствии ветра) ротор неподвижен, а щиток 6 установлен в плоскости, перпендикулярной валу 2. При этом аэродинамическое сопротивление щитка 6 минимально, а ось датчика 8, кинематически связанного со щитком 6, наклонена относительно вертикального вала 2 на угол α0 градусов. Щиток 6 и датчик 8 удерживаются в этом положении с помощью ограничителя 12 и упругого элемента 11, например торсиона, угол предварительного закручивания которого составляет также α0 градусов.In the initial position (in the absence of wind), the rotor is stationary, and the shield 6 is installed in a plane perpendicular to the shaft 2. At the same time, the aerodynamic drag of the shield 6 is minimal, and the axis of the sensor 8 kinematically connected to the shield 6 is inclined relative to the vertical shaft 2 by an angle α 0 degrees. The shield 6 and the sensor 8 are held in this position by means of a limiter 12 and an elastic element 11, for example a torsion bar, the preliminary twisting angle of which is also α 0 degrees.

В диапазоне рабочих скоростей ветра, начиная с некоторого минимального значения, и отсутствии нагрузки на валу 2 ротор самозапускается - лопасти 5 начинают вращать вал 2, постепенно ускоряя свое движение под действием ветра. Возможен также и принудительный запуск и разгон ротора. Более подробно принцип действия ортогональных роторов описан, например, в статье: Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Исследование верикальной ветроэнергетической установки с аэродинамическим регулированием. /Энергетическое строительство/ 1991, №3, с.37-39.In the range of operating wind speeds, starting from a certain minimum value, and when there is no load on the shaft 2, the rotor starts automatically - the blades 5 begin to rotate the shaft 2, gradually accelerating their movement under the influence of the wind. Forced start and acceleration of the rotor is also possible. In more detail, the principle of action of orthogonal rotors is described, for example, in the article: Historian B.L., Shpolyansky Yu.B. The study of a vertical wind turbine with aerodynamic regulation. / Energy construction / 1991, No. 3, p. 37-39.

Когда частота вращения ротора превысит определенную величину (линейная скорость кругового движения лопасти 5 при этом в несколько раз превышает скорость ветра), подключается нагрузка, например, в виде потребителя электроэнергии, вырабатываемой генератором, установленным на валу 2. При этом возможна работа нагруженного ротора с переменной или постоянной частотой вращения. В обоих случаях, однако, частота вращения ротора не должна превышать некоторой номинальной величины np, после которой центробежные силы, действующие на ротор, могут представлять опасность. Пока частота вращения ротора меньше np, предварительно напряженный упругий элемент 11 не позволяет щитку 6 и датчику 8, жестко соединенным между собой через блок кинематической связи, выйти из начального положения, заданного ограничителем 12.When the rotor speed exceeds a certain value (the linear speed of the circular motion of the blade 5 is several times higher than the wind speed), the load is connected, for example, in the form of a consumer of electricity generated by a generator mounted on the shaft 2. In this case, the work of a loaded rotor with a variable or constant speed. In both cases, however, the rotor speed must not exceed a certain nominal value n p , after which centrifugal forces acting on the rotor can be dangerous. While the rotor speed is less than n p , the prestressed elastic element 11 does not allow the shield 6 and the sensor 8, rigidly connected to each other through the kinematic communication unit, to leave the initial position defined by the limiter 12.

Если по какой-либо причине (повышение скорости ветра, снижение нагрузки на валу 2, например, из-за аварийного отключения потребителя) частота вращения ротора превысит номинальную, щиток 6 должен обеспечить аэродинамическое торможение ротора.If for any reason (increase in wind speed, decrease in load on shaft 2, for example, due to emergency shutdown of the consumer), the rotor speed will exceed the nominal, the shield 6 should provide aerodynamic braking of the rotor.

Это осуществляется следующим образом.This is as follows.

Под действием возросших центробежных сил, действующих на датчик 8, выполненный, например, в виде массивного стержня, преодолевает момент закручивания упругого элемента 11, отрывается от ограничителя 12 и поворачивается на угол α. При этом выходит из начального положения и поворачивается щиток 6, связанный с датчиком 8 через блок кинематической связи (на фиг.1-4 это вал 7).Under the action of increased centrifugal forces acting on the sensor 8, made, for example, in the form of a massive rod, overcomes the moment of twisting of the elastic element 11, detaches from the limiter 12 and rotates through an angle α. At the same time, it leaves the initial position and the flap 6 is connected, connected with the sensor 8 through the kinematic communication unit (in Figs. 1-4, this is shaft 7).

Угол β поворота щитка равен k·α, где k - коэффициент мультипликации блока кинематической связи (для ротора на фиг.1-4 коэффициент k=1).The angle β of rotation of the shield is k · α, where k is the multiplication coefficient of the kinematic coupling unit (for the rotor in Figs. 1-4, the coefficient k = 1).

С увеличением угла поворота щитка возрастает аэродинамическое сопротивление ротора и рост частоты его вращения прекращается.With an increase in the angle of rotation of the shield, the aerodynamic resistance of the rotor increases and the frequency of its rotation stops.

С устранением причин, вызвавших превышение частоты вращения ротора над np, упругий элемент 11 возвращает датчик 8 и тормозной щиток 6 в исходное состояние.With the elimination of the reasons that caused the excess rotor speed above n p , the elastic element 11 returns the sensor 8 and the brake flap 6 to its original state.

Как показали расчеты, подтвержденные экспериментально, вращающий момент, развиваемый датчиком 8, не зависит от его удаления от оси вала 2, а определяется величиной (α0+α) угла наклона и угловой скоростью вращения ротора. Поэтому перемещение датчика из периферийной области ротора, где он установлен в прототипе, в центральную область не вызывает снижения момента, передаваемого от датчика 8 щитку 6. Однако при этом устраняется затенение датчиком вращающей лопасти, уменьшаются потери, вносимые аэродинамическим сопротивлением самого датчика и, следовательно, увеличивается КПД ветродвигателя.As shown by the calculations, confirmed experimentally, the torque developed by the sensor 8 does not depend on its distance from the axis of the shaft 2, but is determined by the value (α 0 + α) of the angle of inclination and the angular speed of rotation of the rotor. Therefore, the movement of the sensor from the peripheral region of the rotor, where it is installed in the prototype, to the Central region does not cause a decrease in the moment transmitted from the sensor 8 to the shield 6. However, this eliminates the shadowing of the rotary blade by the sensor, reduces the losses introduced by the aerodynamic resistance of the sensor itself and, therefore, increases the efficiency of the wind turbine.

Установка датчика с отклонением его оси от плоскости тормозного щитка 6 на угол (90-α0) градусов позволяет при горизонтальном исходном положении щитка 6 получить начальный наклон датчика относительно оси вала 2, равный α0 градусов. Этот начальный наклон при наличии соответствующего предварительного напряжения упругого элемента позволяет обеспечить своевременное отклонение тормозного щитка 6 при превышении частотой вращения номинального значения nр.The installation of the sensor with the deviation of its axis from the plane of the brake flap 6 at an angle of (90-α 0 ) degrees allows for a horizontal initial position of the flap 6 to obtain the initial inclination of the sensor relative to the axis of the shaft 2, equal to α 0 degrees. This initial slope in the presence of the corresponding prestressing of the elastic element allows for timely deflection of the brake flap 6 when the speed exceeds the nominal value of n p .

Выполнение блока кинематической связи в виде мультипликатора дает возможность выбрать оптимальное соответствие между углом (α0+α) наклона датчика 8 и углом β отклонения щитка 6. Это позволяет обеспечить эффективное торможение ротора при меньшем превышении частоты его вращения над nр, а также при меньшей площади тормозных щитков 6. Уменьшение площади тормозных щитков позволяет снизить аэродинамические потери на них до начала торможения.The implementation of the kinematic communication unit in the form of a multiplier makes it possible to choose the optimal correspondence between the angle (α 0 + α) of the inclination of the sensor 8 and the angle β of the deflection of the shield 6. This allows for effective braking of the rotor with a smaller excess of its rotational speed over n p , as well as with a smaller area of the brake flaps 6. Reducing the area of the brake flaps allows you to reduce aerodynamic losses on them before the start of braking.

Claims (15)

1. Ортогональный ротор ветродвигателя, содержащий вал вращения, предназначенный для установки по меньшей мере в одной опоре ветродвигателя, и по меньшей мере один закрепленный на валу вращения и снабженный тормозным щитком кронштейн, на котором параллельно валу вращения жестко закреплена вращающая лопасть крыловидного профиля, при этом тормозной щиток через блок кинематической связи соединен с датчиком угловой скорости и через упругий элемент связан с элементом конструкции ротора, неподвижным относительно вала вращения.1. An orthogonal rotor of a wind turbine, comprising a rotation shaft intended for installation in at least one support of the wind turbine, and at least one bracket fixed to the rotation shaft and provided with a brake flap, on which a wing-shaped rotary blade is rigidly fixed parallel to the rotation shaft, while the brake flap through the kinematic communication unit is connected to the angular velocity sensor and through an elastic element is connected to the rotor construction element, which is stationary relative to the rotation shaft. 2. Ротор по п.1, в котором датчик угловой скорости установлен с отклонением его оси от плоскости тормозного щитка на 70-90°, а упругий элемент предварительно напряжен дополнительно введенным ограничителем перемещения.2. The rotor according to claim 1, in which the angular velocity sensor is installed with a deviation of its axis from the plane of the brake flap by 70-90 °, and the elastic element is pre-stressed by an additionally introduced displacement limiter. 3. Ротор по п.1, в котором кронштейн выполнен двухконсольным, при этом тормозной щиток размещен на основной консоли кронштейна, а датчик угловой скорости - на его дополнительной укороченной консоли.3. The rotor according to claim 1, in which the bracket is double-console, while the brake flap is placed on the main console of the bracket, and the angular velocity sensor is located on its additional shortened console. 4. Ротор по п.1, в котором блок кинематической связи выполнен в виде вала поворота.4. The rotor according to claim 1, in which the kinematic communication unit is made in the form of a rotation shaft. 5. Ротор по п.1, в котором блок кинематической связи выполнен в виде мультипликатора, при этом датчик угловой скорости размещен на тихоходном валу, а тормозной щиток - на быстроходном валу мультипликатора.5. The rotor according to claim 1, in which the kinematic communication unit is made in the form of a multiplier, while the angular velocity sensor is located on a low-speed shaft, and the brake flap is located on a high-speed multiplier shaft. 6. Ротор по п.5, в котором коэффициент передачи мультипликатора лежит в пределах 2-5.6. The rotor according to claim 5, in which the transmission coefficient of the multiplier is in the range of 2-5. 7. Ротор по п.5, в котором мультипликатор выполнен на основе зубчатой или цепной передачи.7. The rotor according to claim 5, in which the multiplier is made on the basis of a gear or chain transmission. 8. Ротор по п.5, в котором мультипликатор выполнен на основе рычажно-шарнирного механизма.8. The rotor according to claim 5, in which the multiplier is made on the basis of a lever-articulated mechanism. 9. Ротор по п.1, в котором блок кинематической связи содержит общий элемент, связывающий все тормозные щитки.9. The rotor according to claim 1, in which the kinematic communication unit contains a common element connecting all the brake flaps. 10. Ротор по п.1 или 2, в котором упругий элемент выполнен в виде по меньшей мере одного торсиона, размещенного в полости блока кинематической связи.10. The rotor according to claim 1 or 2, in which the elastic element is made in the form of at least one torsion bar located in the cavity of the kinematic communication unit. 11. Ротор по п.1 или 2, в котором упругий элемент выполнен в виде по меньшей мере одной пружины кручения, охватывающей вал блока кинематической связи.11. The rotor according to claim 1 or 2, in which the elastic element is made in the form of at least one torsion spring, covering the shaft of the kinematic communication unit. 12. Ротор по п.1 или 2, в котором упругий элемент выполнен в виде по меньшей мере одного торсиона и кинематически связанной с ним по меньшей мере одной пружины кручения.12. The rotor according to claim 1 or 2, in which the elastic element is made in the form of at least one torsion bar and kinematically connected with it at least one torsion spring. 13. Ротор по п.1, в котором датчик угловой скорости размещен в полой ступице, выполненной на валу вращения.13. The rotor according to claim 1, in which the angular velocity sensor is placed in a hollow hub made on the shaft of rotation. 14. Ротор по п.1, в котором датчик угловой скорости размещен на кронштейне.14. The rotor according to claim 1, in which the angular velocity sensor is placed on the bracket. 15. Ротор по п.1, в котором датчик угловой скорости размещен в полости, выполненной во вращающей лопасти.15. The rotor according to claim 1, in which the angular velocity sensor is placed in a cavity made in a rotating blade.
RU2003131820/06A 2003-10-30 2003-10-30 Windmill orthogonal rotor RU2251023C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003131820/06A RU2251023C1 (en) 2003-10-30 2003-10-30 Windmill orthogonal rotor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003131820/06A RU2251023C1 (en) 2003-10-30 2003-10-30 Windmill orthogonal rotor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2251023C1 true RU2251023C1 (en) 2005-04-27

Family

ID=35635957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003131820/06A RU2251023C1 (en) 2003-10-30 2003-10-30 Windmill orthogonal rotor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2251023C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5704464B2 (en) Wind turbine with compensated motor torque
US7400055B2 (en) Wind turbine generator
CA2608425C (en) Vertical axis wind turbines
Riziotis et al. Aeroelastic stability of wind turbines: the problem, the methods and the issues
EP2466121A2 (en) Wind turbine, aerodynamic assembly for use in a wind turbine, and method for assembling thereof
MXPA04003945A (en) Rotor with extendable blades and control criteria therefor.
NZ203146A (en) Wind-generator with horizontal rotor axis and auxiliary vanes to control pitch/speed
CN1161728A (en) Multi-unit rotor blade system integrated wind turbine
US20170198678A1 (en) Dual rotor wind power assembly (variants)
KR20070116107A (en) Tension wheel in a rotor system for wind and water turbines
PT1604109E (en) Wind turbine
US4808074A (en) Vertical axis wind turbines
JP2013534592A (en) Vertical axis windmill
WO2011131923A1 (en) System and method for a vertical axis wind turbine
CN113217272B (en) Lift-drag composite vertical axis wind turbine for wind-solar integrated power generation system
EP2840256B1 (en) Wind turbine blade
US10036262B2 (en) Turbomachine impellor rotor with device for feathering the blades of the impellor
RU2251023C1 (en) Windmill orthogonal rotor
GB2461753A (en) Bracing Arrangement for Large Horizontal-Axis Wind-Turbine
RU2460901C1 (en) Air propeller of wind-driven power plant with blades of variable geometry
JP3435540B2 (en) Wind power generator
US10208733B2 (en) Tandem tip-joined rotor blade and hub coupling for passive pitch angle control
CN110030157A (en) Automatic pitch-controlled system
RU2351798C1 (en) Wind-driver power plant
CN112703313B (en) Hinged wind turbine blade with defined angle in flap direction

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131031