RU2307951C1 - Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation - Google Patents
Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2307951C1 RU2307951C1 RU2006107657/06A RU2006107657A RU2307951C1 RU 2307951 C1 RU2307951 C1 RU 2307951C1 RU 2006107657/06 A RU2006107657/06 A RU 2006107657/06A RU 2006107657 A RU2006107657 A RU 2006107657A RU 2307951 C1 RU2307951 C1 RU 2307951C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wing
- windmill
- rotation
- angle
- center
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Abstract
Description
Изобретение относится к ветроэнергетике и способствует освоению экологически чистых способов получения энергии.The invention relates to wind energy and contributes to the development of environmentally friendly methods of generating energy.
Известен ветродвигатель, в котором реализуется способ автоматического управления крылом с вертикальной осью вращения с крыльями симметричного профиля, закрепленными на радиальных траверсах шарнирно, при этом оси шарнира смещены по хорде крыла в сторону его носка (см., например, RU 2235901 С2, кл. F03D 3/00, 10.09.2004, 6 стр.), по совокупности существенных признаков принятый за ближайший аналог изобретения (прототип).A wind turbine is known in which a method of automatically controlling a wing with a vertical axis of rotation with wings of a symmetrical profile mounted on radial traverses is pivotally mounted, while the axis of the hinge is shifted along the chord of the wing towards its nose (see, for example, RU 2235901 C2, class F03D 3/00, 09/10/2004, 6 pp.), Based on the set of essential features adopted for the closest analogue of the invention (prototype).
К недостаткам прототипа относятся сложность конструкции и способность крыла эффективно работать только на наветренной стороне.The disadvantages of the prototype include the complexity of the design and the ability of the wing to work effectively only on the windward side.
Технический результат заключается в обеспечении такого способа автоматического управления крылом, который обеспечивает эффективную тягу крыла на всей ометаемой им окружности, а также в упрощении конструкции.The technical result consists in providing such a method of automatic control of the wing, which provides effective traction of the wing over the entire circle swept by it, as well as in simplifying the design.
Способ автоматического управления крылом ветродвигателя с вертикальной осью вращения с крыльями симметричного профиля, закрепленными на радиальных траверсах шарнирно, заключающийся в механическом ограничении угла их поворота и смещении оси шарнира по хорде крыла в сторону его носка, причем центр тяжести крыла смещают на перпендикуляр к хорде крыла, проходящей через ось шарнира на внешнюю от центра вращения ротора сторону.A method of automatically controlling a wing of a wind turbine with a vertical axis of rotation with wings of a symmetrical profile pivotally mounted on radial traverses, mechanically limiting the angle of rotation and shifting the hinge axis along the wing chord towards its nose, and the center of gravity of the wing is shifted perpendicular to the wing chord, passing through the hinge axis to the side external from the center of rotation of the rotor.
Для оценки возможностей любого ветродвигателя мощность ветра можно представить формулойTo assess the capabilities of any wind turbine, wind power can be represented by the formula
где S - площадь потока ветра;where S is the area of the wind flow;
ρ - плотность воздуха;ρ is the air density;
Vв - скорость ветра.V in - wind speed.
Плотность воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт.ст. равна 1.293 кг/м3. Мощность потока ветра, проходящего через 1 квадратный метр поверхности, будетThe density of air at 0 ° C and a pressure of 760 mm Hg equal to 1.293 kg / m 3 . The power of the wind flow passing through 1 square meter of the surface will be
От того, какую часть этой энергии может забрать ветродвигатель, зависит его эффективность.The efficiency of a wind turbine depends on what part of this energy can be taken.
Рассмотрим, в каких условиях находится крыло, двигающееся по окружности (см. фиг.2). Для скоростного ветродвигателя окружная скорость V0 значительно больше скорости ветра Vв. Скорость V потока ветра, действующая на крыло, будет суммой вектора ветра Vв и окружной скорости V0, а β - угол между касательной к окружности и действующим ветром. При движении крыла по окружности будут изменяться угол β и модуль скорости действующего ветра V. Заменяя действующую скорость ее относительным значением Consider the conditions in which the wing is moving around the circumference (see figure 2). For a high-speed wind turbine, the peripheral speed V 0 is significantly greater than the wind speed V c . The speed V of the wind flow acting on the wing will be the sum of the wind vector V in and the peripheral speed V 0 , and β is the angle between the tangent to the circle and the current wind. When the wing moves in a circle, the angle β and the modulus of the velocity of the acting wind V will change. Replacing the effective velocity by its relative value
получимwe get
где γ - угол положения крыла на окружности;where γ is the angle of the wing on the circle;
n - отношение окружной скорости к скорости ветра;n is the ratio of peripheral speed to wind speed;
Vн - отношение действующей скорости к скорости ветра.V n - the ratio of the current speed to wind speed.
На графиках (см. фиг.3) показано, что при n больше единицы крыло работает с острыми углами действующего ветра. Для обеспечения положительной тяги крыла вдоль окружности угол α должен быть больше нуля и меньше угла ветра β. Естественно, что в этом интервале будет и оптимальное значение угла α. Ограничение поворота крыла в пределах 20 градусов обеспечивает самостоятельный разгон ветродвигателя, так как будет выполняться приведенное выше условие на большей части окружности.The graphs (see figure 3) show that when n is greater than unity, the wing works with the sharp corners of the current wind. To ensure positive wing traction along the circumference, the angle α must be greater than zero and less than the wind angle β. Naturally, in this interval there will also be an optimal value of the angle α. The limitation of the rotation of the wing within 20 degrees provides independent acceleration of the wind turbine, since the above condition will be fulfilled on most of the circumference.
По мере разгона ветродвигателя механические упоры перестанут действовать, так как угол α при n=2 будет меньше 20 градусов.As the wind turbine accelerates, the mechanical stops will cease to act, since the angle α at n = 2 will be less than 20 degrees.
Если принять, что подъемная сила крыла F является линейной функцией угла атакиIf we assume that the wing lift F is a linear function of the angle of attack
то нетрудно получить оптимальное значение угла поворота крылаit is easy to obtain the optimal value of the angle of rotation of the wing
где α - угол между хордой крыла и касательной к окружности.where α is the angle between the chord of the wing and the tangent to the circle.
Как пример возможного использования предлагаемого способа автоматического управления крылом на фиг.1 изображен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, где приняты следующие обозначения:As an example of the possible use of the proposed method for automatic wing control, figure 1 shows a wind turbine with a vertical axis of rotation, where the following notation is accepted:
1 - вал ротора ветродвигателя;1 - a rotor shaft of a wind turbine;
2 - профилированные крылья;2 - profiled wings;
3, 4- радиальные траверсы;3, 4- radial traverses;
5 - пластины с вырезами, ограничивающими угол поворота крыла;5 - plate with cutouts that limit the angle of rotation of the wing;
6 - грузик, смещающий центр тяжести крыла;6 - weight, shifting the center of gravity of the wing;
7 - штифт, ограничивающий поворот пластины;7 - pin, restricting the rotation of the plate;
8 - подшипник шарнира крыла;8 - wing hinge bearing;
Ф - фокус крыла.F - focus of the wing.
На ступицах вертикального вала 1 закреплены радиальные траверсы 3, 4, которые вместе с крыльями 2, вращающимися в шарнирах 8, образуют ротор. Штифт 7, находящийся в вырезах пластины 5, ограничивает поворот крыла. Грузик 6 обеспечивает смещение центра тяжести крыла 2.On the hubs of the vertical shaft 1 there are fixed
В предлагаемом способе автоматического управления крылом смещение оси шарнира к носику крыла обеспечивает момент, стремящийся поставить крыло во флюгерное состояние. В то же время, смещение центра тяжести от центра вращения за крыло центробежной силой стремится поставить крыло вдоль касательной к окружности. Этот момент представлен формулой (7)In the proposed method for automatic wing control, displacement of the hinge axis to the nose of the wing provides a moment tending to put the wing in a weather vane. At the same time, the shift of the center of gravity from the center of rotation behind the wing by centrifugal force tends to put the wing along the tangent to the circle. This moment is represented by formula (7)
где R - радиус окружности ротора,where R is the radius of the circumference of the rotor,
m - действующая масса смещения;m is the effective displacement mass;
V0 - линейная скорость крыла,V 0 - the linear speed of the wing,
α - угол между хордой крыла и касательной к окружности;α is the angle between the chord of the wing and the tangent to the circle;
r2 - расстояние между центром тяжести и осью шарнира.r 2 is the distance between the center of gravity and the axis of the hinge.
Флюгерный момент равенThe vane moment is
где r1 - расстояние от фокуса крыла до оси шарнира;where r 1 is the distance from the focus of the wing to the axis of the hinge;
Fп - подъемная сила крыла.F p - the lifting force of the wing.
В аэродинамике крыло характеризуется подъемной силой и лобовым сопротивлениемIn aerodynamics, the wing is characterized by lift and drag
где S - площадь крыла;where S is the wing area;
ρ - плотность воздуха;ρ is the air density;
V - скорость воздуха;V is the air velocity;
Сy - аэродинамический коэффициент подъемной силы;With y is the aerodynamic coefficient of lift;
Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;C x - aerodynamic drag coefficient;
Fл - лобовое сопротивление.F l - drag.
Коэффициенты Сy и Сх зависят от профиля крыла и угла атаки.The coefficients C y and C x depend on the wing profile and angle of attack.
Обычно коэффициенты Сy и Сх по результатам продувки задаются таблично как функции угла атаки.Typically, the coefficients C y and C x according to the results of the purge are given in tabular form as a function of the angle of attack.
Флюгерный и центробежный моменты направлены навстречу друг другу, тогда можно получить уравнениеThe vane and centrifugal moments are directed towards each other, then you can get the equation
Выразив скорости через соотношениеExpressing speed through the ratio
V=Vн·Vв, V0=n·Vв,V = V n · V in , V 0 = n · V in ,
получимwe get
Коэффициенты Сy и Сх являются функцией углов β и α. Относительная скорость Vн и угол β зависят от n и положения крыла на окружности φ.The coefficients C y and C x are a function of the angles β and α. The relative speed V n and angle β depend on n and the position of the wing on the circle φ.
Уравнение (11) является трансцендентным и решается численным методом относительно угла α. В реальном устройстве угол α устанавливается автоматически при равенстве центробежного и аэродинамического моментов.Equation (11) is transcendental and is solved numerically with respect to angle α. In a real device, the angle α is set automatically when the centrifugal and aerodynamic moments are equal.
Зная угол α, нетрудно получить полезную силу, действующую вдоль окружностиKnowing the angle α, it is easy to obtain the useful force acting along the circle
Мгновенная мощность будетInstant power will be
Среднюю мощность можно представитьAverage power can be imagined
где К - количество измерений на окружности с шагом Δφ,where K is the number of measurements on the circle with a step Δφ,
Рi - значение мгновенной мощности.P i is the instantaneous power value.
Для подтверждения эффективности предлагаемого способа автоматического управления крылом было проведено математическое моделирование.To confirm the effectiveness of the proposed method for automatic wing control, mathematical modeling was performed.
В качестве исходных параметров было принято крыло площадью в один квадратный диаметр с профилем NACA 0009, радиусом ротора R=0,5 м. Смещение шарнира относительно фокуса r1=5 см. Смещение центра тяжести r2=5 см. Масса грузика смещения центра тяжести варьировалась от 5 грамм до 20 грамм. Функции коэффициентов Сy и Сх от угла атаки заданы таблично. В таблице 1 для массы грузика 10 приведены расчетные значения углов β, α и относительной скорости Vн в зависимости от параметра n и угла положения крыла на окружности (формулы 3, 4, 11). В таблице 2 приведены расчетные значения мгновенной мощности (формула 13) для углов α из таблицы 1 для массы грузика m=10 г и Р0 для оптимального угла As the initial parameters, a wing with an area of one square diameter with a NACA 0009 profile, rotor radius R = 0.5 m was adopted. The hinge offset relative to the focus is r 1 = 5 cm. The center of gravity shift is r 2 = 5 cm. The weight of the weight of the center of gravity is ranged from 5 grams to 20 grams. The functions of the coefficients C y and C x from the angle of attack are given in a table. Table 1 for the weight of the
(формула 6), (formula 6),
при скорости ветра Vв=10 м/с. В нижней строке таблицы 2 приведены средние значения соответствующих мощностей (формула 14). На графиках фиг.4 показаны зависимости средней мощности от параметра n и массы грузиков смещения центра тяжести. Приведен также график мощности для крыла, управляемого по закону when V = wind velocity at 10 m / s. The bottom line of table 2 shows the average values of the respective capacities (formula 14). The graphs of figure 4 show the dependence of the average power on the parameter n and the mass of the weights of the displacement of the center of gravity. A power plot for a legally controlled wing is also provided.
. .
Как видно на этих графиках, максимальная мощность достигается при отношении окружной скорости крыла к скорости ветра n≈5. Сравнивая значение средней мощности предлагаемого способа управления крылом со средней мощностью управления по закону αопт, можно сделать вывод о высокой эффективности предлагаемого способа. Ошибки в выборе массы горузиков смещения центра тяжести не критичны.As can be seen in these graphs, the maximum power is achieved when the ratio of the wing circumferential speed to the wind speed n≈5. Comparing the value of the average power of the proposed method of controlling the wing with the average power of control according to the law α opt , we can conclude that the proposed method is highly efficient. Errors in the choice of the mass of the loads of displacements of the center of gravity are not critical.
Результаты математического моделирования позволяют сделать вывод о высокой эффективности предлагаемого способа автоматического управления крылом. Можно ожидать эффективности в десятки процентов.The results of mathematical modeling allow us to conclude that the proposed method for automatic wing control is highly efficient. Efficiency of tens percent can be expected.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006107657/06A RU2307951C1 (en) | 2006-03-14 | 2006-03-14 | Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006107657/06A RU2307951C1 (en) | 2006-03-14 | 2006-03-14 | Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2307951C1 true RU2307951C1 (en) | 2007-10-10 |
Family
ID=38952950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006107657/06A RU2307951C1 (en) | 2006-03-14 | 2006-03-14 | Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2307951C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2471085C2 (en) * | 2010-12-23 | 2012-12-27 | Андрей Леонидович Шпади | Rotary wind drive |
-
2006
- 2006-03-14 RU RU2006107657/06A patent/RU2307951C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2471085C2 (en) * | 2010-12-23 | 2012-12-27 | Андрей Леонидович Шпади | Rotary wind drive |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhao et al. | A review: Approaches for aerodynamic performance improvement of lift-type vertical axis wind turbine | |
US9464623B2 (en) | Method and device for power generation | |
AU2004213513B2 (en) | Method of controlling aerodynamic load of a wind turbine based on local blade flow measurement | |
US7632069B2 (en) | Adaptable flow-driven energy capture system | |
CN101832225B (en) | Wind wheel structure of lift vertical shaft wind generator | |
US20130064663A1 (en) | Morphing segmented wind turbine and related method | |
US10626848B2 (en) | Lift-driven wind turbine with force canceling blade configuration | |
CN101225794B (en) | Blade structure, wind wheel and generator device of vertical axis wind power generator | |
CN216536915U (en) | Blade tip structure, rotor blade, wind turbine, wind farm and aircraft | |
DK2128434T3 (en) | Wind turbine blades with twisted and tapered tips | |
SE448489B (en) | WIND TURBINE | |
Somoano et al. | Bio-inspired blades with local trailing edge flexibility increase the efficiency of vertical axis wind turbines | |
US8322035B2 (en) | Vertical axis wind turbine and method of installing blades therein | |
RU2307951C1 (en) | Method of automatic control of wing of windmill with vertical axle of rotation | |
CN111535984B (en) | Cross-shaft tidal current energy water turbine with passive pitching adjusting device | |
CN103291539B (en) | Blade swing wing design method and H-type vertical axis wind turbine with blade swing wings | |
US11898534B2 (en) | Hinged blade wind turbine with tilted axis and/or coned rotor | |
WO2015123738A1 (en) | Fluid kinetic apparatus | |
De Tavernier et al. | VAWT in double-rotor configuration: The effect on airfoil design | |
CN106837683B (en) | The optimal value for going out to flow tangent line inclination angle of windward side determines method | |
김종현 | Experimental study on the flow around a vertical axis wind turbine and its control using tubercles | |
Safe et al. | Increasing Efficiency of a Twisted Blade Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) by Changing Various Parameter | |
Sandigo et al. | Micro-Wind Turbine Design Final Report | |
KR20130009937A (en) | Power generation system of vertical wind turbine with conning angle change | |
CN115750196A (en) | Wind power blade and wind driven generator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170315 |