RU2286477C2

RU2286477C2 - Wind-turbine plant

Info

Publication number: RU2286477C2
Application number: RU2004134205/06A
Authority: RU
Inventors: Евгений Иванович Кончаков (RU); Евгений Иванович Кончаков; В чеслав Михайлович Суменков (RU); Вячеслав Михайлович Суменков; Александр Алексеевич Федореев (RU); Александр Алексеевич Федореев
Original assignee: Дальневосточный государственный технический университет
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2006-10-27
Also published as: RU2004134205A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to wind motors and it can be used as self-contained power source on buildings of sufficient height. Proposed wind-turbine plant contains rotor made in form of shaft installed vertically with possibility of rotation inside housing and furnished with turbine blades of radial type installed vertically over circumference. Housing of wind-turbine plant is made in form of guide assembly containing vertically arranged guide vanes over perimeter of housing and installed at acute angle relative to leading edges of rotor blades, thus forming flow passage part of radial- type turbine. Lower part of rotor is made in form of axial-flow turbine and is furnished with fairing. Lower end of shaft rests on fairing which is connected with ends of vanes of guide assembly secured on shell whose upper part is connected to housing and lower part is secured on upper part of hollow housing, for instance, on self-draught pipe. Air supply holes are made in lower part of hollow housing.

EFFECT: improved efficiency of wing-turbine plant owing to use of vertical and horizontal air streams.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту.The invention relates to energy, namely, wind turbines, and can be used as an autonomous energy source in buildings having a sufficient height.

Известна ветротурбинная установка (ВТУ), содержащая ротор, размещенный вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженный лопатками (см. патент Германии №3636248, МКИ F 03 D 9/00, 1988 г.). В известной установке ветротурбина установлена в нижней части трубы самотяги и работает в восходящем потоке воздуха, используя эффект самотяги.Known wind turbine installation (VTU), containing a rotor placed vertically rotatably inside the housing and equipped with blades (see German patent No. 3636248, MKI F 03 D 9/00, 1988). In a known installation, a wind turbine is installed in the lower part of the self-drawn pipe and operates in an upward air flow using the self-drawn effect.

Недостаток этого решения заключается в том, что не используется энергия ветра.The disadvantage of this solution is that wind energy is not used.

Известна также ветротурбинная установка, содержащая ротор, выполненный в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного турбинными лопатками радиального типа, установленными вертикально по окружности, при этом корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные под острым углом внешним кромкам лопаток ротора, образующие проточную часть турбины радиального типа (см. патент РФ №2184872, МКИ F 03 D 3/00, 2002 г.).Also known is a wind turbine installation comprising a rotor made in the form of a shaft arranged vertically rotatably inside the housing and provided with radial type turbine blades mounted vertically around the circumference, while the housing of the wind turbine installation is made in the form of a guide apparatus containing vertically arranged guide vanes throughout the perimeter of the housing, installed at an acute angle to the outer edges of the rotor blades, forming the flow part of the radial type turbine (see ie RF №2184872, IPC F 03 D 3/00, 2002).

Недостатком этого решения является нестабильность работы установки, связанная с природными условиями, а именно с непостоянством ветра.The disadvantage of this solution is the instability of the installation associated with natural conditions, namely, the inconsistency of the wind.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение стабильности работы ВТУ при снижении материалоемкости и сохранении высокой степени безопасности.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the stability of the VTU while reducing material consumption and maintaining a high degree of security.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности ВТУ и в обеспечении максимального расхода воздуха через установку за счет использования его вертикального и горизонтального потоков.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in increasing the efficiency of the VTU and in ensuring maximum air flow through the installation through the use of its vertical and horizontal flows.

Поставленная задача решается тем, что ветротурбинная установка, содержащая ротор, выполненный в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного турбинными лопатками радиального типа, установленными вертикально по окружности, при этом корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные под острым углом внешним кромкам лопаток ротора, образующие проточную часть турбины радиального типа, отличается тем, что нижняя часть вала выполнена в виде осевой турбины и снабжена обтекателем, при этом нижний конец вала оперт на обтекатель, который скреплен с свободными концами лопаток направляющего аппарата, закрепленных на обечайке, верхняя часть которой скреплена с корпусом, а нижняя укреплена на верхней части полого корпуса, например трубы самотяги, в нижней части этого полого корпуса выполнены воздухоподводящие отверстия. При этом полый воздухоподводящий корпус снабжен конфузором, размещенным в верхней части этого корпуса.The problem is solved in that the wind turbine installation comprising a rotor made in the form of a shaft arranged vertically rotatably inside the casing and equipped with radial type turbine blades mounted vertically around the circumference, while the casing of the wind turbine installation is made in the form of a guiding apparatus containing vertically arranged guide vanes around the entire perimeter of the casing, installed at an acute angle to the outer edges of the rotor blades, forming the turbine flow part of the ial type, characterized in that the lower part of the shaft is made in the form of an axial turbine and is equipped with a cowl, while the lower end of the shaft is supported by a cowl, which is fastened to the free ends of the vanes of the guide apparatus mounted on the shell, the upper part of which is fastened to the housing, and the lower mounted on the upper part of the hollow body, for example, self-drawn pipe, in the lower part of this hollow body made air inlet holes. In this case, the hollow air supply housing is equipped with a confuser located in the upper part of this housing.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed technical solution with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные решения.The distinctive features of the claims solve the following functional solutions.

Признак «...нижняя часть вала выполнена в виде осевой турбины и снабжена обтекателем...» позволяет ротору использовать энергию потока, образующегося в полом воздухоподводящем корпусе.The sign "... the lower part of the shaft is made in the form of an axial turbine and is equipped with a fairing ..." allows the rotor to use the energy of the flow generated in the hollow air supply casing.

Признак «...нижний конец вала оперт на обтекатель, который скреплен с концами лопаток направляющего аппарата, закрепленных на обечайке, верхняя часть которой скреплена с корпусом, а нижняя укреплена на верхней части полого корпуса...» позволяет использовать его как опорный элемент и служить основанием для турбинной части установки.The sign "... the lower end of the shaft is supported by a fairing, which is fastened to the ends of the vanes of the guide apparatus mounted on the shell, the upper part of which is fastened to the body, and the lower is mounted on the upper part of the hollow body ..." allows you to use it as a supporting element and serve as the basis for the turbine part of the installation.

Признак «...в нижней части этого полого воздухоподводящего корпуса выполнены воздухоподводящие отверстия...» обеспечивает вертикальный поток воздуха, поступающий на турбину осевого типа ротора.The sign “... in the lower part of this hollow air-supply casing the air-supply openings are made ...” provides a vertical air flow entering the axial-type turbine of the rotor.

Совокупность отличительных признаков дополнительного пункта формулы изобретения позволяет осуществить плавный аэродинамический переход с минимальными потерями объема и энергии воздушного потока из полого корпуса в проточную часть турбины.The set of distinguishing features of an additional claim allows a smooth aerodynamic transition with minimal loss of volume and energy of the air flow from the hollow body to the flow part of the turbine.

На чертеже показан схематически общий вид установки.The drawing shows a schematic general view of the installation.

На чертеже показаны ротор 1, корпус 2, турбинные лопатки 3 радиального типа, кронштейны 4, направляющие лопатки 5, рабочие лопатки 6 осевого типа, дополнительные направляющие лопатки 7, обечайка 8, обтекатель 9, полый корпус 10, конфузор 11 и воздухоподводящие окна 12.The drawing shows the rotor 1, housing 2, turbine blades 3 of radial type, brackets 4, guide vanes 5, rotor blades 6 of the axial type, additional guide vanes 7, shell 8, fairing 9, hollow body 10, confuser 11 and air inlet windows 12.

Установка содержит ротор 1, размещенный внутри корпуса 2 с возможностью вращения в нем. Ротор 1 состоит из вала, на котором установлены вертикально по окружности на заданном расстоянии от центра турбинные лопатки 3 радиального типа, которые соединяются с валом посредством кронштейнов 4.The installation comprises a rotor 1 located inside the housing 2 with the possibility of rotation in it. The rotor 1 consists of a shaft on which turbine blades 3 of a radial type are mounted vertically around a circle at a predetermined distance from the center, which are connected to the shaft by means of brackets 4.

Корпус 2 неподвижен, выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопаток 5, которые установлены под острым углом внешней кромке турбинных лопаток 3 радиального типа, которые образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Нижняя часть ротора 1 выполнена в виде осевой турбины. На валу установлены рабочие лопатки 6 осевого типа, которые предназначены для работы в потоке воздуха, выходящем из направляющих лопаток 7. Дополнительные направляющие лопатки 7 установлены в нижней части корпуса 2 и расположены радиально внутри обечайки 8. Нижний конец ротора оперт на обтекатель 9, который жестко скреплен с концами лопаток 7 направляющего аппарата. Верхняя часть обечайки 8 скреплена с корпусом 2, а нижняя - оперта на верхней части полого корпуса 10 (трубе самотяги), на котором установлен конфузор 11. В нижней части полого корпуса 10 выполнены воздухоподводящие окна 12.The housing 2 is fixed, made in the form of a guide apparatus, consisting of vertically arranged guide vanes 5, which are mounted at an acute angle to the outer edge of the turbine blades 3 of a radial type, which form the external wind flow channels located tangentially to the inner circumference of the installation. The lower part of the rotor 1 is made in the form of an axial turbine. Axial-type working blades 6 are installed on the shaft, which are designed to work in the air stream leaving the guide vanes 7. Additional guide vanes 7 are installed in the lower part of the housing 2 and are located radially inside the shell 8. The lower end of the rotor is supported on the fairing 9, which is rigidly bonded to the ends of the blades 7 of the guide apparatus. The upper part of the shell 8 is bonded to the body 2, and the lower one is supported on the upper part of the hollow body 10 (self-drawn pipe), on which the confuser 11 is installed. At the bottom of the hollow body 10 there are air-supplying windows 12.

Установка работает следующим образом. За счет разности давлений у поверхности земли и у среза полого корпуса 10 поток воздуха через воздухоподводящие окна 12 начинает движение в вертикальном направлении. Проходя через конфузор 11, поток воздуха ускоряется и попадает на дополнительные лопатки 7 направляющего аппарата, которые направляют поток воздуха на рабочие лопатки 6 осевой ступени ротора. Энергия воздушного потока передается рабочим лопаткам 6 осевой ступени и приводит ротор 1 во вращательное движение. Горизонтальный поток ветра натекает на радиальные направляющие лопатки 5 и под острым углом направляется на турбинные лопатки радиального типа 3, приводя во вращение ротор 1. Движущийся к центру поток воздуха, отдав энергию, выходит в радиальном и осевом направлениях (на чертеже показано стрелками) через отверстия в направляющем аппарате 5. Часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора 1 и вновь попадает в турбинные лопатки 3 ротора 1, но в месте, расположенном диаметрально противоположно относительно зоны входа в ротор 1. Воздух захватывается элементами ротора 1 и выбрасывается в атмосферу (вентиляционные потери на неактивной дуге турбинного двигателя). На это расходуется определенная мощность, но при этом в центре ротора 1 создается разрежение, что способствует увеличению скорости и расхода воздуха, проходящего через ВТУ, и увеличивает ее мощность. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ротор 1 от слишком большого разгона. Это аэродинамическое торможение значительно повышает безопасность установки при больших скоростях ветра и позволяет обойтись без специальных тормозных устройств. Дополнительный вертикальный поток воздуха, создаваемый трубой самотяги (полым корпусом 10) и прошедший турбину осевого типа, увеличивает общий расход воздуха и способствует усилению аэродинамического торможения.Installation works as follows. Due to the pressure difference at the surface of the earth and at the cut of the hollow body 10, the air flow through the air inlet windows 12 begins to move in the vertical direction. Passing through the confuser 11, the air flow accelerates and enters the additional blades 7 of the guide apparatus, which direct the air flow to the working blades 6 of the axial stage of the rotor. The energy of the air flow is transmitted to the working blades 6 of the axial stage and drives the rotor 1 in rotational motion. The horizontal wind flow flows onto the radial guide vanes 5 and is directed at an acute angle to the turbine blades of the radial type 3, causing the rotor 1 to rotate. The air flow moving to the center, giving off energy, exits in the radial and axial directions (shown in the drawing by arrows) through the holes in the guide apparatus 5. A part of the air passing in the radial direction passes through the central part of the rotor 1 and again enters the turbine blades 3 of the rotor 1, but in a place located diametrically opposite to the zone of entry into the rotor 1. Air is captured by the elements of the rotor 1 and is released into the atmosphere (ventilation losses on an inactive arc of a turbine engine). A certain power is spent on this, but at the same time a vacuum is created in the center of the rotor 1, which helps to increase the speed and flow rate of air passing through the VTU, and increases its power. Due to the fact that the power spent on pumping air depends on the rotation speed in the third degree, then at high wind speeds this power becomes significant and inhibits rotor 1 from too much acceleration. This aerodynamic braking significantly increases the safety of the installation at high wind speeds and eliminates the need for special braking devices. The additional vertical air flow created by the self-drawn pipe (hollow body 10) and passed through an axial-type turbine increases the total air flow and helps to enhance aerodynamic drag.

Claims

1. A wind turbine installation containing a rotor made in the form of a shaft arranged vertically rotatably inside the housing and provided with radial type turbine blades mounted vertically around the circumference, while the housing of the wind turbine installation is made in the form of a guide apparatus containing vertically arranged guide vanes throughout the perimeter of the housing, installed at an acute angle to the outer edges of the rotor blades, forming the flow part of the radial type turbine, characterized in that about the lower part of the rotor is made in the form of an axial turbine and equipped with a fairing, while the lower end of the shaft is supported by a fairing, which is fastened to the ends of the vanes of the guide apparatus, mounted on the shell, the upper part of which is fastened to the housing, and the lower is mounted on the upper part of the hollow body, for example, self-drawn pipes, and in the lower part of this hollow body air-supply openings are made.

2. The wind turbine installation according to claim 1, characterized in that the hollow body is equipped with a confuser located in the upper part of this body.