RU2352809C1

RU2352809C1 - Bolotov's wind-driven electric plant

Info

Publication number: RU2352809C1
Application number: RU2007133572/06A
Authority: RU
Inventors: Альберт Васильевич Болотов (KZ); Альберт Васильевич Болотов; Сергей Альбертович Болотов (RU); Сергей Альбертович Болотов; Никита Сергеевич Болотов (RU); Никита Сергеевич Болотов
Original assignee: Альберт Васильевич Болотов; Сергей Альбертович Болотов; Никита Сергеевич Болотов
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-04-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to power generation and is designed to use wind power for electric power generation using vertical axial wind turbines. Windmills with vertical axis of rotation of the wind turbine comprise cylindrical units with stators acting as wind guide devices, given the wind blowing from different directions, and rotors that convert wind power into rotation of their shafts. The said cylindrical units are divided into tiers of identical or different height and diameters. The units rotors can run in opposite directions. Note that the lower unit rotor shaft features a tubular section for the upper unit rotor shaft to pass through. A part of the said tiers can have a rigid linkage with the shaft in starting the windmill and no linkage in operating conditions. Electric generator has a movable stator running in direction opposite to that of the rotor and furnished with a tubular shaft rotor linked up with the lower unit tubular shaft. The generator rotor shaft arranged inside the stator tubular shaft is linked up with the upper unit shaft.

EFFECT: higher factor of utilising wind power, simpler design, smaller sizes and weight of used generators.

10 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, в частности к использованию энергии ветра для выработки электроэнергии с целью питания обособленных объектов и подачи электроэнергии в энергосистемы.The invention relates to energy, in particular to the use of wind energy to generate electricity for the purpose of powering isolated objects and supplying electricity to power systems.

Известно несколько типов ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) с горизонтальными и вертикальными осями вращения роторов пропеллерного, барабанного и роторного типов [Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B.G.Teubner, Stuttgart, 1993]. Однако практическое применение получили лишь пропеллерные, как правило, трехлопастные агрегаты. Они имеют сложные по конструкции лопасти, дорогой редуктор с большим передаточным числом между ветроколесом и электрогенератором, генератор, компьютер для управления механизмами, регулирующими положение лопастей и установку ветроколеса перпендикулярно направлению ветра. Из-за большой массы головки ветроэнергетического агрегата, самого ветроколеса и лопастей системы регулирования не могут обеспечить оперативное ориентирование колеса перпендикулярно быстро меняющемуся направлению ветра. В результате постоянного несоответствия установки положения лопастей и колеса направлению и скорости ветра коэффициент использования установленной мощности ВЭА в течение года не превышает 10-23%.There are several types of wind power units (WEA) with horizontal and vertical axes of rotation of the rotors of the propeller, drum and rotor types [Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B. G. Teubner, Stuttgart, 1993]. However, only propeller, as a rule, three-bladed units received practical application. They have complex blades in design, an expensive gearbox with a large gear ratio between the wind wheel and the electric generator, a generator, a computer for controlling the mechanisms that regulate the position of the blades and the installation of the wind wheel perpendicular to the wind direction. Due to the large mass of the head of the wind power unit, the wind wheel itself and the blades, the regulation systems cannot provide for the operational orientation of the wheel perpendicular to the rapidly changing direction of the wind. As a result of constant inconsistency between the installation of the position of the blades and the wheel with the direction and speed of the wind, the coefficient of utilization of the installed power of the wind turbine during the year does not exceed 10-23%.

Для получения возможности использования ветра любого направления известны конструкции ВЭА с вертикальным расположением осей вращения и лопастей - типа Дарье [Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B.G.Teubner Stuttgart, 1993], и ротора Савониуса [патент США №413407, кл. 415-И, 1979], но они, ввиду сложности вывода на рабочий режим при эксплуатации, распространения не получили.To obtain the possibility of using wind of any direction, VEA designs with a vertical arrangement of rotation axes and blades are known - such as Darier [Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B. G. Teubner Stuttgart, 1993], and the Savonius rotor [US patent No. 413407, CL. 415-I, 1979], but they, due to the difficulty of entering the operating mode during operation, have not received distribution.

Известна виндроторная электростанция [патент KZ №3355, кл. F03D 3/04, 1996], агрегаты которой содержат модули, состоящие из цилиндрических роторов с объемными лопатками и подвижных направляющих аппаратов, положение которых относительно направления ветра устанавливается флюгером. Для выработки энергии используются два или несколько генераторов, соединенных с валом ротора через разгонные муфты и механические передачи. Но при использовании этого устройства практически отсутствует возможность оперативного управления положением направляющего аппарата на многомодульных станциях ввиду его большой массы, что также исключает возможность достижения высокого коэффициента использования энергии ветра. Наличие механических передач снижает КПД, усложняет и удорожает конструкцию.Known wind rotor power plant [patent KZ No. 3355, class. F03D 3/04, 1996], the units of which contain modules consisting of cylindrical rotors with volumetric blades and movable guide vanes, the position of which relative to the direction of the wind is set by a weather vane. To generate energy, two or more generators are used, connected to the rotor shaft through accelerating couplings and mechanical gears. But when using this device, there is practically no possibility of operational control of the position of the guide apparatus at multimodular stations due to its large mass, which also excludes the possibility of achieving a high coefficient of utilization of wind energy. The presence of mechanical gears reduces efficiency, complicates and increases the cost of construction.

Известна виндроторная электростанция [патент KZ №5595, кл. F03D 3/04, 1999], агрегаты которой состоят из виндроторных блоков или модулей, включающих цилиндрические направляющие аппараты и лопастные вертикальные виндроторы, сконструированные с использованием формулы Хелмана, соединенные с генераторной группой. Однако и эта ВЭС имеет недостатки. Диаметры направляющих аппаратов и роторов модулей, а также количество лопаток в роторах модулей изменяются по высоте агрегата в соответствии с формулой Хелмана, которая не дает достоверных результатов в реальных условиях и не охватывает всего многообразия условий эксплуатации ветровых электростанций в приземном слое воздушного потока.Known wind rotor power plant [patent KZ No. 5595, class. F03D 3/04, 1999], the units of which consist of wind rotor blocks or modules, including cylindrical guiding devices and vertical vane rotors, constructed using the Helman formula, connected to the generator group. However, this wind farm also has drawbacks. The diameters of the guide vanes and rotors of the modules, as well as the number of blades in the rotors of the modules vary in height of the unit in accordance with the Helman formula, which does not give reliable results in real conditions and does not cover the whole variety of operating conditions of wind power plants in the surface layer of the air flow.

Наиболее близкими к изобретению является ветровая электростанция (ВЭС) (патент ЕА №003784 В1, кл. F03D 3/06 2003), в которой ветроэнергетические агрегаты (ВЭА) включают один или несколько цилиндрических блоков, установленных последовательно по вертикали, каждый из которых содержит статор с вогнуто-выпуклыми пластинами и ротор с выпукло-вогнутыми лопатками, соединенными с общим для всех блоков вертикальным валом, нижний конец которого соединен с ротором генератора. Во всех блоках роторы имеют постоянный наружный диаметр, число блоков в агрегате составляет 1-50 в зависимости от высоты одного блока и ветровых условий, а между блоками в ВЭА имеются зазоры, снабженные кольцевыми коническими козырьками. При этом роторы всех блоков содержат одинаковое число лопаток. На ВЭА установлен многополюсный вентильный генератор постоянного тока напряжением 12-1000 В с системой автоматического регулирования возбуждения для обеспечения постоянного напряжения при изменении энергии ветра и возможности использования энергии кратковременных порывов ветра, штормов и ураганов. Помимо этого, ВЭА имеет блок управления режимом работы генератора, включающий регулятор выходной мощности генератора для обеспечения номинальной частоты вращения ротора в диапазоне n_ном=(0,3-0,7)n_xx, где n_хх - частота вращения ротора на холостом ходу при скорости ветра в реальных условиях.Closest to the invention is a wind power station (WES) (patent EA No. 003784 B1, class F03D 3/06 2003), in which wind power units (WEA) include one or more cylindrical blocks mounted vertically in series, each of which contains a stator with concave-convex plates and a rotor with convex-concave blades connected to a vertical shaft common to all blocks, the lower end of which is connected to the generator rotor. In all blocks, the rotors have a constant outer diameter, the number of blocks in the unit is 1-50 depending on the height of one block and wind conditions, and there are gaps between the blocks in the wind turbine equipped with annular conical visors. Moreover, the rotors of all blocks contain the same number of blades. The WEA is equipped with a 12-1000 V multi-pole DC valve generator with an automatic excitation control system to provide constant voltage when changing wind energy and the possibility of using the energy of short-term gusts of wind, storms and hurricanes. In addition, the WEA has a generator operating mode control unit, including a generator output power controller to provide the nominal rotor speed in the range n _nom = (0.3-0.7) n _xx , where n _xx is the idle speed of the rotor wind speeds in real conditions.

Использование вентильного многополюсного генератора постоянного тока с системой автоматического регулирования возбуждения позволяет обеспечить стабильность напряжения при резкой смене ветровой обстановки, а аппаратура управления режимом работы генератора обеспечивает оптимальный режим в зависимости от внешних факторов.The use of a valve multi-pole direct current generator with a system of automatic control of excitation allows ensuring voltage stability during a sharp change in the wind situation, and the equipment for controlling the generator operating mode provides an optimal mode depending on external factors.

Однако это устройство также имеет недостатки. Ввиду того, что скорость ветра на разной высоте от поверхности земли имеет разное значение, блоки ВЭА, установленные на разной высоте, развивают разную мощность. Блоки, расположенные в нижней части агрегата, могут развивать меньшую мощность, а при связи общим валом с верхними блоками, имеющими более высокую частоту вращения, могут переходить в режим работы вентилятора, вращаемого верхними блоками, что снижает выдаваемую мощность ВЭА. Этот недостаток невозможно преодолеть изменением только конструкции блоков. При необходимости увеличения мощности ВЭА увеличивается диаметр статора и ротора, что приводит при одинаковой скорости ветра к снижению частоты вращения ротора, и применяемые в таких условиях тихоходные электрогенераторы должны иметь большие габариты и вес. Кроме того, примененные здесь вогнуто-выпуклые пластины направляющего аппарата сложны в изготовлении.However, this device also has disadvantages. Due to the fact that the wind speed at different heights from the earth's surface has different meanings, wind turbines installed at different heights develop different powers. Blocks located in the lower part of the unit can develop less power, and when connected by a common shaft to the upper blocks having a higher rotational speed, they can go into the operation mode of the fan rotated by the upper blocks, which reduces the power output from the VEA. This disadvantage cannot be overcome by changing only the design of the blocks. If it is necessary to increase the power of the CEA, the diameter of the stator and rotor increases, which leads to a decrease in the rotor speed at the same wind speed, and low-speed electric generators used in such conditions should have large dimensions and weight. In addition, the concave-convex plates of the guide apparatus used here are difficult to manufacture.

Задачей изобретения является создание ветроэнергетического агрегата с вертикальной осью вращения, обеспечивающего увеличение коэффициента использования энергии ветра, удельной выработки электроэнергии на 1 кВт установленной мощности электрогенератора, упрощение конструкции направляющего аппарата и сборки блоков в колонну при сооружении многомодульных ВЭА, а также уменьшения веса и размеров электрогенераторов с одновременным повышением их удельной мощности при прямом (без редуктора) соединении вала генератора с валами блоков.The objective of the invention is the creation of a wind energy unit with a vertical axis of rotation, providing an increase in the utilization of wind energy, specific power generation per 1 kW of installed power of the generator, simplifying the design of the guide apparatus and assembling blocks into the column during the construction of multi-module wind turbines, as well as reducing the weight and size of generators with a simultaneous increase in their specific power with direct (without gear) connection of the generator shaft with the shafts of the blocks.

Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетическом агрегате (ВЭА), включающем раму, ветровую турбину, содержащую два цилиндрических блока, расположенных вертикально на одной геометрической оси и разделенных крышками рамы, каждый из которых имеет направляющий аппарат для поступающего воздуха, являющийся статором турбины с пластинами, для улавливания ветра, и ротор с лопатками, соединенными с валом, для преобразования энергии ветра во вращательное движение вала, электрический многополюсный вентильный генератор с ротором, имеющим щеточный узел, со статором и системами автоматического управления выполнен с возможностью вращения статора в направлении, противоположном направлению вращения ротора, снабжен центральным трубчатым валом, а ротор имеет центральный вал, проходящий внутри трубчатого вала статора, каждый блок ветровой турбины состоит из ярусов, разделенных поперечными дисками, каждый ярус имеет направляющий аппарат - статор, пластины которого выполнены плоскими и установлены радиально, и ротор, лопатки которого соединены с валом блока, ярусы составляют нижнюю и верхнюю группы, объединенные общими валами, установленными коаксиально, вал нижней группы ярусов выполнен трубчатым и соединен с валом статора вентильного генератора, а вал верхней группы ярусов проходит внутри трубчатого вала нижней группы блоков и соединен с валом ротора вентильного генератора, лопатки роторов ярусов нижней и верхней групп установлены с противоположно направленными углами наклона к радиусу ротора для обеспечения взаимно противоположного направления вращения роторов указанных блоков, при этом группа ярусов ветровой турбины, вращающая ротор генератора, и группа ярусов, вращающих статор генератора, выполняются согласно их расчетным мощностям в соответствии с соотношением N_st=kN_rt, где N_st - мощность, передаваемая на статор генератора, N_rt - мощность, передаваемая на ротор генератора, k=iJ_st/iJ_rt, где J_si=G_st D_st ², Jrt=G_rtD_rt ² - соответственно моменты инерции статора и ротора, G_st, G_rt - их вес, D_st, D_rt - их наружные диаметры, i - доля электромагнитной мощности генератора, обеспечиваемая каждым блоком.The technical result is achieved by the fact that in a wind energy unit (VEA), including a frame, a wind turbine containing two cylindrical blocks located vertically on the same geometric axis and separated by frame covers, each of which has a guide apparatus for incoming air, which is a turbine stator with plates , for trapping wind, and a rotor with blades connected to the shaft, for converting wind energy into rotational movement of the shaft, an electric multi-pole valve generator with a rotor, and with a brush assembly, with a stator and automatic control systems, the stator can rotate in the opposite direction of the rotor rotation, is equipped with a central tubular shaft, and the rotor has a central shaft passing inside the stator tubular shaft, each wind turbine unit consists of tiers separated by transverse disks, each tier has a guiding apparatus - a stator, the plates of which are made flat and mounted radially, and a rotor, the blades of which are connected to the block shaft, tiers the lower and upper groups are united by common shafts installed coaxially, the shaft of the lower tier group is tubular and connected to the stator shaft of the valve generator, and the shaft of the upper tier group passes inside the tubular shaft of the lower group of blocks and is connected to the rotor shaft of the valve generator, tier rotor blades the lower and upper groups are installed with oppositely directed angles of inclination to the radius of the rotor to ensure the mutually opposite direction of rotation of the rotors of these blocks, while the group i of the wind turbine rotating the generator rotor, and the group of tiers rotating the generator stator, are performed according to their design capacities in accordance with the relation N _st = kN _rt , where N _st is the power transmitted to the generator stator, N _rt is the power transmitted to the rotor generator, k = iJ _st / iJ _rt , where J _si = G _st D _st ² , Jrt = G _rt D _rt ² - respectively, the moments of inertia of the stator and rotor, G _st , G _rt - their weight, D _st , D _rt - their outer diameters, i is the fraction of the electromagnetic power of the generator provided by each unit.

Технический результат достигается также тем, что пластины статоров всех ярусов блоков установлены равномерно по диаметру статора с расстоянием между ними в пределах угла θ=0,6-60°, а лопатки роторов ярусов выполнены с поперечными сечениями в виде аэродинамических профилей с хордами, имеющими длину b=(0,01-0,7)R_rt, где R_rt - радиус ротора, установлены равномерно по диаметру ротора с расстоянием между лопатками в пределах угла β=0,5-72° и повернуты от радиального направления на угол ±α=0,1-89° для вращения ротора одной из групп ярусов по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки.The technical result is also achieved by the fact that the plates of the stators of all tiers of the blocks are installed uniformly along the diameter of the stator with a distance between them within the angle θ = 0.6-60 °, and the blades of the rotors of the tiers are made with cross sections in the form of aerodynamic profiles with chords having a length b = (0.01-0.7) R _rt , where R _rt is the radius of the rotor, are installed uniformly along the diameter of the rotor with the distance between the blades within the angle β = 0.5-72 ° and are rotated from the radial direction by an angle ± α = 0.1-89 ° to rotate the rotor of one of the groups of tiers clockwise, and the other is counterclockwise.

Кроме того, генератор ВЭА снабжен дополнительным щеточным узлом с контактными кольцами для подключения выводов обмоток генератора, установленным на трубчатом валу статора, для крепления щеточных узлов статора и ротора на раме агрегата установлены кронштейны, а в крышках рамы, разделяющих блоки ветровой турбины, и в дисках, разделяющих блоки на ярусы, выполнены дренажные окна для свободного выхода из турбины отработавшего воздуха.In addition, the VEA generator is equipped with an additional brush assembly with contact rings for connecting the terminals of the generator windings mounted on the tubular shaft of the stator; brackets are installed on the unit frame for mounting the stator and rotor brush assemblies, and in the covers of the frame separating the blocks of the wind turbine, and in the disks separating the blocks into tiers, drainage windows are made for free exit of the exhaust air turbine.

При этом ярусы блоков выполнены с возможностью обеспечения коэффициентов быстроходности Z=V_лоп/V_ветра, где V_лоп - скорость движения лопасти, м/с, V_ветра - скорость ветра, м/с, представляющих три диапазона: Z<1, 1<Z<3 и 5<Z<8.In this case, the tiers of the blocks are made with the possibility of providing speed factors Z = V _lop / V _wind , where V _lop is the speed of the blade, m / s, V _wind is the wind speed, m / s, representing three ranges: Z <1, 1 < Z <3 and 5 <Z <8.

Роторы ярусов, имеющих низкие коэффициенты быстроходности, соединены с валом блока через разгонные муфты, обеспечивающие жесткую связь при пуске агрегата и отсутствие связи в его рабочем режиме, а пусковой момент яруса с низким коэффициентом быстроходности выбирается по соотношению М_пуск>GD², где GD² - момент инерции роторов других ярусов, присоединенных к соответствующим вращающимся частям электрического генератора и самих частей.The rotors of longlines with low speed coefficients are connected to the block shaft via accelerating couplings, which provide tight coupling when starting up the unit and the lack of communication in its operating mode, and the starting moment of a longline with a low speed coefficient is selected by the ratio M _start > GD ² , where GD ² - the moment of inertia of the rotors of other tiers attached to the corresponding rotating parts of the electric generator and the parts themselves.

Блоки турбины могут иметь ярусы, одинаковые по диаметру и разные по высоте, либо ярусы, одинаковые по высоте и разные по диаметру, либо ярусы, разные по диаметру и высоте.Turbine blocks can have tiers of the same diameter and different heights, or tiers of the same height and different diameters, or tiers of different diameters and heights.

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показан ветроэнергетический агрегат, содержащий два блока;figure 1 shows a wind power unit containing two blocks;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;figure 2 is a section aa in figure 1;

на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1;figure 3 - section bb in figure 1;

на фиг.4 - ветроэнергетический агрегат с блоками, включающими ярусы, разные по мощности и быстроходности за счет изменения их диаметра и высоты;figure 4 - wind power unit with blocks including tiers, different in power and speed due to changes in their diameter and height;

на фиг.5 - сечение С-С на фиг.4.figure 5 - section CC in figure 4.

Турбина ВЭА делется на две группы ярусов, в одной из которых роторы ярусов соединены с ротором генератора, а в другой - со статором генератора. На фиг.1-5 каждая группа представлена верхним 1 и нижним 2 блоками.The VEA turbine is divided into two groups of tiers, in one of which the rotors of the tiers are connected to the rotor of the generator, and in the other to the stator of the generator. Figure 1-5, each group is represented by the upper 1 and lower 2 blocks.

Ярусы каждого блока имеют статор, являющийся одновременно направляющим аппаратом 3 для поступающего воздуха, выполненным в виде тонких пластин. Пластины статоров всех блоков выполнены однотипными и прямолинейными, установлены радиально по отношению к окружности статора, размещаются равномерно по его окружности с расстоянием между пластинами в пределах угла θ=0,6-60° в зависимости от диаметра статора. С увеличением диаметра статора, при необходимости увеличения мощности агрегата, расстояния между пластинами по окружности изменяют для более полного формирования натекающего потока воздуха.The tiers of each block have a stator, which is simultaneously a guide apparatus 3 for incoming air, made in the form of thin plates. The plates of the stators of all blocks are made of the same type and rectilinear, mounted radially with respect to the circumference of the stator, are placed uniformly along its circumference with the distance between the plates within the angle θ = 0.6-60 ° depending on the diameter of the stator. With an increase in the diameter of the stator, if necessary, increase the power of the unit, the distance between the plates around the circumference is changed to more fully form the flowing air stream.

Роторы блоков 4 разделены дисками 22 на ярусы 5 и объединяются в блоки крышками 6 с подшипниками, установленными на раме агрегата 7. Они содержат расположенные вертикально лопасти 8, выполненные в поперечном сечении в виде аэродинамических профилей.The rotors of blocks 4 are divided by disks 22 into tiers 5 and are combined into blocks by covers 6 with bearings mounted on the frame of unit 7. They contain vertically arranged blades 8 made in cross section in the form of aerodynamic profiles.

При необходимости увеличения мощности ветроэнергетического агрегата увеличивают диаметр и высоту ярусов, входящих в состав блоков, вращающих ротор и статор, причем в верхнем и нижнем блоках устанавливаются ярусы, имеющие равную или разную быстроходность, а в соединении роторов ярусов, имеющих низкий коэффициент быстроходности, с валом блока предусмотрено устройство в виде разгонной муфты, обеспечивающее жесткую связь ротора яруса с валом блока при пуске агрегата и отсутствие связи в рабочем режиме ветроэнергетического агрегата. Пусковой момент яруса с низким коэффициентом быстроходности выбирается по соотношению М_пуск>GD², где GD² - момент инерции роторов других ярусов и присоединенной к нему вращающейся части электрического генератора.If it is necessary to increase the power of the wind power unit, the diameter and height of the tiers that make up the blocks rotating the rotor and stator are increased, and tiers having equal or different speed are installed in the upper and lower blocks, and in the connection of the tiers rotors having a low speed coefficient, with the shaft The unit is provided with a device in the form of an accelerating clutch, which provides a rigid connection of the longline rotor with the shaft of the unit when starting up the unit and the lack of communication in the operating mode of the wind power unit. The starting moment of a tier with a low speed coefficient is selected according to the relation M _start > GD ² , where GD ² is the moment of inertia of the rotors of other tiers and the rotating part of the electric generator connected to it.

Валы блоков устанавливаются коаксиально центрирующим узлом 21, вал верхнего блока 9 проходит внутри трубчатого вала 10 нижнего блока и соединяется с валом ротора генератора 11, а трубчатый вал 10 нижнего блока соединен с трубчатым валом 12, установленным на статоре генератора 13. На обоих валах установлены щеточные узлы 14, удерживаемые кронштейнами 15, установленными на раме ветроэнергетического агрегата 7. Ветровая мощность турбины делится на две части, обеспечиваемые двумя группами ярусов, вращающими отдельно ротор и статор одного генератора, в частном случае на два блока, соединяемых узлом 21, центрирующим валы блоков, а мощность блоков, вращающих ротор и статор, определяется в соответствии с соотношением N_st=kN_rt, где N_st - мощность, передаваемая на статор генератора, N_rt, - мощность, передаваемая на ротор генератора, k=iJ_st/iJ_rt, где J_st=G_stD_st ², J_rt=G_rtD_rt ² - соответственно моменты инерции статора и ротора, G_st, G_rt - их вес, D_st, D_rt - их наружные диаметры, i - доля электромагнитной мощности генератора, обеспечиваемая каждым блоком.The shafts of the blocks are installed coaxially with the centering unit 21, the shaft of the upper block 9 extends inside the tubular shaft 10 of the lower block and is connected to the rotor shaft of the generator 11, and the tubular shaft 10 of the lower block is connected to the tubular shaft 12 mounted on the stator of the generator 13. Brush shafts are installed on both shafts. nodes 14, held by brackets 15 mounted on the frame of the wind power unit 7. The wind power of the turbine is divided into two parts, provided by two groups of tiers that rotate separately the rotor and stator of one generator, in a particular case, into two blocks connected by a node 21 centering the shaft of the blocks, and the power of the blocks rotating the rotor and stator is determined in accordance with the ratio N _st = kN _rt , where N _st is the power transmitted to the generator stator, N _rt , - power transmitted to the generator rotor, k = iJ _st / iJ _rt , where J _st = G _st D _st ² , J _rt = G _rt D _rt ² are the moments of inertia of the stator and rotor, G _st , G _rt are their weight, D _st , D _rt are their outer diameters, i is the fraction of the generator electromagnetic power provided by each unit.

Это следует из того, что статор и ротор могут иметь разный вес и диаметр, создающие разные моменты инерции вращающейся системы GD², для преодоления которых при развороте агрегата требуются разные стартовые усилия, а также ротор и статор генератора могут иметь разные доли в развиваемой генератором мощности.This follows from the fact that the stator and rotor can have different weights and diameters, creating different moments of inertia of the GD ² rotating system, to overcome which when starting the unit, different starting forces are required, and the rotor and stator of the generator can have different shares in the power developed by the generator .

В корпусе статора имеются отверстия (не показаны), через которые выводятся провода от обмотки статора, соединяемые через отверстие в валу (не показано) со щеточным узлом 14, который удерживается от вращения кронштейнами 15, прикрепленными к раме агрегата. Аналогично через вал ротора выводятся провода от обмотки ротора, при ее наличии. Если же для возбуждения генератора используются постоянные магниты, то щеточные узлы устанавливаются только на одном из валов. Каждый блок имеет подшипники 16, установленные в нижней и верхней крышке 6, обеспечивающие вращение ротора и формирующие блок как самостоятельный узел.The stator housing has holes (not shown) through which wires from the stator winding are connected through a hole in the shaft (not shown) to the brush assembly 14, which is prevented from rotating by brackets 15 attached to the unit frame. Similarly, wires from the rotor winding, if any, are output through the rotor shaft. If permanent magnets are used to excite the generator, then the brush assemblies are installed on only one of the shafts. Each block has bearings 16 mounted in the lower and upper cover 6, which ensure the rotation of the rotor and form the block as an independent unit.

На фиг.2 показано поперечное сечение нижнего блока по линии А-А, в котором ротор 4 с профильными лопатками 8, имеющими хорду величиной b=(0,01-0,70)R_rt, где R_rt - радиус ротора. Лопатки ротора расположены равномерно по окружности ротора на расстоянии β=0,5-72° друг от друга в зависимости от диаметра ротора и установлены под углом -α=0,1-89° к радиусу окружности ротора для вращения противFigure 2 shows the cross section of the lower block along the line AA, in which the rotor 4 with profile blades 8 having a chord of magnitude b = (0.01-0.70) R _rt , where R _rt is the radius of the rotor. The rotor blades are located uniformly around the circumference of the rotor at a distance β = 0.5-72 ° from each other depending on the diameter of the rotor and are installed at an angle of -α = 0.1-89 ° to the radius of the circumference of the rotor for rotation against

часовой стрелки. Через трубчатый вал 10 проходит вал 9 от верхнего блока. Здесь же видны дренажные окна 20, образованные в дисках 22. Аналогичные окна имеются в крышке блока 6.clockwise. Through the tubular shaft 10 passes the shaft 9 from the upper block. The drainage windows 20 formed in the disks 22 are also visible here. Similar windows are available in the cover of the unit 6.

На фиг.3 показано поперечное сечение верхнего блока по линии В-В,Figure 3 shows a cross section of the upper block along the line BB,

где лопатки 8 ротора 4 расположены равномерно по окружности ротора на расстоянии β=0,5-72° друг от друга в зависимости от диаметра ротора и установлены под углом +α=0,1-89° к радиусу окружности ротора для вращения по часовой стрелке, а дренажные окна 20 имеют круглую или трапецеидальную форму.where the blades 8 of the rotor 4 are located uniformly around the circumference of the rotor at a distance β = 0.5-72 ° from each other depending on the diameter of the rotor and are installed at an angle + α = 0.1-89 ° to the radius of the circumference of the rotor for clockwise rotation and the drainage windows 20 are round or trapezoidal.

На фиг.4 показан ветроэнергетический агрегата, состоящий из двух блоков 1 и 2, содержащих разные по мощности и быстроходности ярусы 24, 25, 26, валы которых устанавливаются коаксиально центрирующим узлом 21, когда вал верхнего блока проходит внутри трубчатого вала нижнего блока и соединяется с валом ротора генератора, а трубчатый вал нижнего блока соединен с трубчатым валом, установленным на статоре генератора (не показано). На обоих валах установлены щеточные узлы 14, удерживаемые кронштейнами 15, установленными на раме ветроэнергетического агрегата 7.Figure 4 shows a wind power unit consisting of two blocks 1 and 2, containing tiers 24, 25, 26 of different power and speed, whose shafts are installed coaxially with the centering unit 21, when the shaft of the upper block passes inside the tubular shaft of the lower block and is connected to the generator rotor shaft, and the tubular shaft of the lower block is connected to the tubular shaft mounted on the generator stator (not shown). On both shafts there are brush assemblies 14, held by brackets 15 mounted on the frame of the wind power unit 7.

Ярусы меньшего диаметра 24 являются пусковыми и обладают коэффициентом быстроходности Z меньше 1 (1>Z), где Z=V_лоп/V_ветра отношение скорости движения лопасти (м/с) к скорости ветра (м/с), имеют широкие лопатки, установленные под углом α в пределах до α=+0,1-89°, например, в верхнем блоке и α=-0,1-89° в нижнем блоке, чтобы создавать большой стартовый момент турбины и раскручивать установленные на общей оси роторы ярусов большего диаметра и соединенные с ними вращающиеся части электрического генератора 23. Кроме того, в соединении пусковых ярусов с валом блока предусмотрена разгонная муфта типа аналогичной муфты стартера автомобиля (не показано), обеспечивающая жесткую связь пускового ротора с валом блока при пуске агрегата и отсутствие связи в рабочем режиме ветроэнергетического агрегата, а стартовый момент пускового яруса выбирается по соотношению М_пуск>GD², где GD² - момент инерции роторов других ярусов и вращающейся части генератора, соединенной с валом блока. Блоки 1 и 2 вращают ротор и статор генератора 23 в разные стороны.Tiers of smaller diameter 24 are starting and have a speed factor Z less than 1 (1> Z), where Z = V _lop / V _{wind, the} ratio of the blade speed (m / s) to wind speed (m / s), have wide blades installed at an angle α in the range up to α = + 0.1-89 °, for example, in the upper block and α = -0.1-89 ° in the lower block, in order to create a large starting moment of the turbine and untwist tiers of larger tiers mounted on the common axis diameter and the rotating parts of the electric generator 23 connected to them. In addition, in the connection of the starting tiers with the shaft b eye provided accelerating clutch type similar vehicle starter clutch (not shown), which provides a rigid connection starter rotor unit shaft when starting the machine and the lack of communication in the operating mode the wind power generating unit, and the start point starting tiers selectable ratio M _Start> GD ^2, where GD ² - the moment of inertia of the rotors of other tiers and the rotating part of the generator connected to the shaft of the block. Blocks 1 and 2 rotate the rotor and stator of the generator 23 in different directions.

Ярусы 25 и 26 имеют жесткую связь с валом и увеличенные диаметры с таким расчетом, что в ярусе 25 устанавливается коэффициент быстроходности ротора больше 1, но не больше 3, (3>Z>1), a у ротора в ярусе 26 коэффициент быстроходности Z устанавливается в пределах между 5 и 8, (8>Z>5), что обеспечивает высокий коэффициент использования энергии ветра. Одновременно с увеличением диаметра ротора изменяется количество лопаток, так чтобы расстояние между ними по окружности роторов сохранялось в пределах β=0,5-72° в зависимости от диаметра ротора.Tiers 25 and 26 have a rigid connection with the shaft and increased diameters so that in tier 25 a speed coefficient of the rotor is set to more than 1, but not more than 3, (3> Z> 1), and for the rotor in tier 26, the speed coefficient Z is set between 5 and 8, (8> Z> 5), which provides a high coefficient of utilization of wind energy. Simultaneously with an increase in the diameter of the rotor, the number of blades changes, so that the distance between them along the circumference of the rotors is kept within β = 0.5-72 ° depending on the diameter of the rotor.

На фиг.5 показаны ярусы нижнего блока ветроэнергетического агрегата, показанного на фиг.4 по сечению С-С. Лопатки роторов 24, 25 и 26 имеют хорды разной величины и расположены под разными углами α равномерно по окружности роторов. Также равномерно расположены на расстоянии угла θ=0,6-60° пластины 27, 28, 29 статоров соответствующих ярусов.Figure 5 shows the tiers of the lower block of the wind power unit shown in figure 4 along the section CC. The blades of the rotors 24, 25 and 26 have chords of different sizes and are located at different angles α evenly around the circumference of the rotors. Also uniformly spaced at an angle distance θ = 0.6-60 ° are the plates 27, 28, 29 of the stators of the respective tiers.

Работа ВЭА осуществляется следующим образом. Статоры блоков 1 и 2 ВЭА забирают воздушный поток пластинами одинаково с любого направления, обеспечивают его сжатие и ускорение и направляют на лопатки роторов. Действуя на лопатки, соединенные с валом ротора, воздушный поток вызывает вращение ротора блока и связанного с ним ротора генератора в блоке 1 против часовой стрелки. В блоке 2 статор также забирает с любой стороны воздушный поток пластинами, обеспечивает его сжатие и ускорение и направляет на лопатки ротора. Действуя на лопатки, соединенные с валом, воздушный поток вызывает вращение ротора турбины и соединенного с ним статора генератора, но уже по часовой стрелке. Вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях позволяет отказаться от применения ускоряющего редуктора и увеличивает выдаваемую генератором мощность по сравнению с генераторами, где с частотой вращения ротора блока вращается только ротор, а статор неподвижен. Вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях приводит к увеличению, по крайней мере, в два раза скорости движения его магнитной системы относительной обмотки, что в соответствии с законом магнитной индукции увеличивает на такую же величину электродвижущую силу (э.д.с.) и мощность генератора, как это следует из формулы е=IνB, где е - мгновенное значение э.д.с. в проводнике, l - длина активной части проводника, ν - скорость относительного перемещения проводника и магнитного поля, В - магнитная индукция [Пиотровский Л.М. Электрические машины, М. - Л.: Госэнергоиздат, 1956]. В этих условиях будет соответственно увеличена развиваемая мощность, что соответствует энергетическим характеристикам ветроэнергетического агрегата данного типа. Вывод энергии генератора потребителям осуществляется через щеточные узлы с контактными кольцами, установленными на концах валов генератора. Для прокладки проводов от генератора к щеточным узлам в валах ротора и статора, а также в валах блоков имеются каналы. При изменении скорости ветра автоматически производится переключение ветвей обмоток применяемого вентильного генератора, так чтобы постоянно поддерживать номинальное напряжение и оптимальную нагрузку генератора при конкретной скорости ветра. Использование ярусов с разными размерами и углами установки лопаток роторов обеспечивает большой стартовый вращающий момент турбины и раскрутку установленных на общей оси роторов ярусов большего диаметра, что увеличивает их быстроходность и роль подъемной силы лопаток в создании вращающего момента роторов блоков ветроэнергетического агрегата. Кроме того, в соединении пусковых ярусов с валом блока предусмотрена установка разгонных муфт, обеспечивающих жесткую связь пускового ротора с валом блока при пуске агрегата и отсутствие связи в рабочем режиме ветроэнергетического агрегата, а блоки 1 и 2 вращают ротор и статор генератора в разные стороны.The work of the WEA is as follows. The stators of the VEA units 1 and 2 take the air flow with the plates in the same way from any direction, ensure its compression and acceleration, and direct them to the rotor blades. Acting on the blades connected to the rotor shaft, the air flow causes the rotor of the block and the associated rotor of the generator in the block 1 to rotate counterclockwise. In block 2, the stator also picks up air flow from the plates on either side, provides compression and acceleration, and directs it to the rotor blades. Acting on the blades connected to the shaft, the air flow causes the rotation of the turbine rotor and the generator stator connected to it, but already clockwise. Rotation of the rotor and stator of the generator in opposite directions eliminates the need for an accelerating gearbox and increases the power generated by the generator compared to generators, where only the rotor rotates with the rotor speed of the block and the stator is stationary. Rotation of the rotor and stator of the generator in opposite directions leads to an increase of at least two times the speed of movement of its magnetic system of the relative winding, which, in accordance with the law of magnetic induction, increases the electromotive force (emf) by the same amount and generator power, as follows from the formula e = IνB, where e is the instantaneous value of the emf in a conductor, l is the length of the active part of the conductor, ν is the speed of the relative movement of the conductor and the magnetic field, B is the magnetic induction [L. Piotrovsky Electric machines, M. - L .: Gosenergoizdat, 1956]. Under these conditions, the developed capacity will be correspondingly increased, which corresponds to the energy characteristics of a wind power unit of this type. The energy output of the generator to consumers is carried out through brush assemblies with slip rings mounted on the ends of the generator shafts. For laying wires from the generator to the brush nodes in the shafts of the rotor and stator, as well as in the shafts of the blocks, there are channels. When the wind speed changes, the branches of the windings of the used valve generator are automatically switched so as to constantly maintain the rated voltage and optimal load of the generator at a specific wind speed. The use of tiers with different sizes and angles of installation of the rotor blades provides a large starting torque of the turbine and the promotion of tiers of larger diameter installed on the common axis of the rotors, which increases their speed and the role of the lifting force of the blades in creating the rotor torque of the blocks of a wind power unit. In addition, in the connection of the starting tiers with the block shaft, it is possible to install accelerating couplings that provide a tight connection between the starting rotor and the block shaft when starting the unit and the lack of communication in the operating mode of the wind power unit, and blocks 1 and 2 rotate the generator rotor and stator in different directions.

Claims

1. Wind power unit (WEA), including a frame, a wind turbine, containing two cylindrical blocks located vertically on the same geometric axis and separated by frame covers, each of which has a directing device for incoming air, which is a turbine stator, with plates for trapping wind and rotor with blades connected to the shaft for converting wind energy into rotational movement of the shaft, an electric multipole valve generator with a rotor having a brush assembly, with a stator and systems automatic control, characterized in that the stator of the valve generator is made to rotate in a direction opposite to the direction of rotation of the rotor, and is equipped with a central tubular shaft, and the rotor has a central shaft passing inside the tubular shaft of the stator, each block of the wind turbine consists of tiers separated by transverse disks, each tier has a guiding apparatus - a stator, the plates of which are made flat and mounted radially, and a rotor, the blades of which are connected to the block shaft, tiers The lower and upper groups are combined by common coaxial shafts, the shaft of the lower tier group is tubular and connected to the stator shaft of the valve generator, and the shaft of the upper tier group passes inside the tubular shaft of the lower group of tiers and connected to the shaft of the valve generator rotor, rotor blades of the tiers the lower and upper blocks are installed with oppositely directed angles of inclination to the radius of the rotor, to ensure the mutually opposite direction of rotation of the rotors of these blocks, while oup tiers wind turbine, the rotation of the generator rotor, and a group of tiers, the rotating generator stator, carried out according to their TDP, in accordance with the ratio N _st = kN _rt, where N _st - the power transmitted to the generator stator, N _rt - power transmitted to the generator rotor, k = iJ _st / iJ _rt , where J _st = G _st D _st ² , J _rt = G _rt D _rt ² are the moments of inertia of the stator and rotor, G _st , G _rt are their weight, D _st , D _rt is their outer diameters, i is the fraction of the generator electromagnetic power provided by each unit.

2. VEA according to claim 1, characterized in that the plates of the stators of all tiers of the blocks are installed uniformly along the diameter of the stator with a distance between them within the angle θ = 0.6-60 °.

3. VEA according to claim 1, characterized in that the blades of the rotors of the tiers are made with cross sections in the form of aerodynamic profiles with chords having a length b = (0.01-0.7) R _rt , where R _rt is the radius of the rotor, installed uniformly along the rotor diameter with the distance between the blades within the angle β = 0.5-72 ° and rotated from the radial direction by an angle ± α = 0.1-89 ° to rotate the rotor of one of the tier groups clockwise and the other counterclockwise clockwise.

4. VEA according to claim 1, characterized in that the generator is equipped with an additional brush assembly with slip rings for connecting the terminals of the generator windings mounted on the tubular shaft of the stator, and brackets are mounted on the unit frame for mounting the brush stator and rotor assemblies.

5. VEA according to claim 1, characterized in that in the covers of the frame separating the blocks of the wind turbine, and in the disks separating the blocks into tiers, drainage windows are made for free exit of the exhaust air turbine.

6. VEA according to claim 1, characterized in that the tiers of the blocks are configured to provide speed factors Z = V _lop / V _wind , where V _lop is the speed of the blade, m / s, V _wind is the wind speed, m / s, representing three ranges: Z <1, 1 <Z <3 and 5 <Z <8.

7. VEA according to claim 1, characterized in that the rotors of the tiers having low speed coefficients are connected to the block shaft via accelerating couplings that provide tight coupling when starting up the unit and the lack of communication in its operating mode, and the starting moment of the tier with a low speed coefficient is selected by the ratio M _start > GD ² , where GD ² is the moment of inertia of the rotors of other tiers connected to the corresponding rotating parts of the electric generator and the parts themselves.

8. VEA according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, characterized in that the turbine blocks have tiers of the same diameter and different heights.

9. VEA according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, characterized in that the turbine blocks have tiers that are the same in height and different in diameter.

10. VEA according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, characterized in that the turbine blocks have tiers that are different in diameter and height.