RU2443902C2

RU2443902C2 - Windwheel of wind-driven power plant with vertical axis of rotation

Info

Publication number: RU2443902C2
Application number: RU2010121692/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Грахов (RU); Юрий Васильевич Грахов; Владимир Павлович Кривоспицкий (RU); Владимир Павлович Кривоспицкий; Валерий Михайлович Кузнецов (RU); Валерий Михайлович Кузнецов; Василий Филиппович Максимов (RU); Василий Филиппович Максимов; Олег Владимирович Матвеенко (RU); Олег Владимирович Матвеенко; Евгений Викторович Соломин (RU); Евгений Викторович Соломин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГРЦ-Вертикаль"
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-02-27
Also published as: RU2010121692A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: windwheel comprises several tiers equipped with blades and joined to each other by bearing circular elements, which are connected to a hub by pre-stretched ropes as elastic damping elements. Ropes form one or more periodical structures, in every of which some ropes outgoing from the above circular elements towards the hub, are inclined relative to the horizon upwards, and the remaining part is inclined downwards. Besides, inclinations of ropes to the horizon in various periodical structures differ to ensure separation of ropes of various structures in space. To ensure resistance of the windwheel to torsional oscillations and their simultaneous damping, continuations of lines in half of ropes of each periodical structure pass at one side from the axis of windwheel rotation, and continuations of lines of the other half - at the other side from the axis of rotation. All ropes during operation of the windwheel and in its idle condition remain in stretched condition.

EFFECT: reduced effect of oscillating component in aerodynamic forces acting at windwheel blades and torques acting at the windwheel hub, and via the hub to the bearing units, the support base and the mast under all wind modes.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения, а именно к компоновке ветроколеса, и может быть использовано в возобновляемой энергетике.The invention relates to wind turbines with a vertical axis of rotation, namely, the layout of the wind wheel, and can be used in renewable energy.

Работа ветроколеса ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения основана на возникновении вращающего момента за счет действия набегающего потока воздуха на имеющие аэродинамический профиль лопасти. Благодаря высокому аэродинамическому качеству лопастей возникает подъемная сила ветроколеса, намного превышающая силу его сопротивления, что в итоге приводит к появлению вращающего ветроколесо момента.The operation of a wind wheel of a wind power installation with a vertical axis of rotation is based on the occurrence of torque due to the action of an incoming air flow on the blades having an aerodynamic profile. Due to the high aerodynamic quality of the blades, a wind-wheel lifting force arises, far exceeding its drag force, which ultimately leads to the appearance of a torque rotating wind-wheel.

Недостатком вертикально-осевых ветроколес является, как правило, наличие различных форм низкочастотных изгибных колебаний ветроколеса, вызываемых попеременным действием набегающего ветрового потока на лопасти ветроколеса. Вследствие жесткой связи, обычно с помощью силовых траверс, между кольцевой формы конструкциями, несущими лопасти ветроколеса, и расположенной в центре ступицей она колеблется вместе с ветроколесом. Изгибные колебания ступицы вызывают повышенные нагрузки на подшипниковые узлы, посредством которых ступица связана с закрепленным на мачте опорным основанием. Это приводит к повышенному износу подшипников и сокращению срока службы ветроэнергетической установки. Колебания опорного основания, переданные ему через ступицу от лопастной системы ветроколеса, возбуждают различные формы колебаний мачты. В результате, возникает угроза возникновения резонансов, могущих привести к разрушению ветроэнергетической установки. Появляется необходимость усложнения конструкции мачты и других элементов конструкции для отстройки от резонансных частот.The disadvantage of vertically axial wind wheels is, as a rule, the presence of various forms of low-frequency bending vibrations of the wind wheel caused by the alternating action of the incident wind flow on the wind wheel blades. Due to the rigid connection, usually by means of power traverses, between the ring-shaped structures bearing the blades of the wind wheel and the hub located in the center, it oscillates with the wind wheel. Bending vibrations of the hub cause increased loads on the bearing assemblies, through which the hub is connected to a support base fixed to the mast. This leads to increased bearing wear and reduced service life of the wind turbine. Oscillations of the support base transmitted to it through the hub from the blade system of the wind wheel excite various forms of mast oscillations. As a result, there is a risk of resonances that could lead to the destruction of the wind power installation. There is a need to complicate the design of the mast and other structural elements for tuning away from resonant frequencies.

Целью настоящего изобретения является уменьшение влияния на ступицу ветроколеса, а через нее на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей действующих на лопасти ветроколеса аэродинамических сил и моментов и обеспечение плавной сбалансированной работы ветроколеса при всех ветровых режимах.The aim of the present invention is to reduce the impact on the hub of the wind wheel, and through it to the bearing units, the support base and the mast of the vibrational component of the aerodynamic forces and moments acting on the blades of the wind wheel, and to ensure smooth balanced operation of the wind wheel in all wind conditions.

Известно много изобретений ветроколес ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения. Иностранные изобретения WO 9601368 от 6.07.94, ЕР 679805 от 14.10.93, DE 4402778 от 27.01.94, US 4087202 от 2.05.1978, US 427809 от 23.06.1981, US 6974309 от 13.12.2005, Российские патенты №21226500 RU от 18.06.2001, №2188335 RU от 18.06.2002, №2136960 RU от 8.01.98, №2174190 от 19.05.2000, №2347104 от 12.05.2006.Many inventions of wind wheels of wind turbines with a vertical axis of rotation are known. Foreign inventions WO 9601368 from 6.07.94, EP 679805 from 10.14.93, DE 4402778 from 01.27.94, US 4087202 from 2.05.1978, US 427809 from 06.23.1981, US 6974309 from 12.13.2005, Russian patents No. 211226500 RU from 06/18/2001, No. 2188335 RU dated 06/18/2002, No. 2139960 RU dated 8.01.98, No. 2174190 dated 05/19/2000, No. 2347104 dated May 12, 2006.

Последнее Российское изобретение наиболее близко к настоящему по целям и способам их достижения и может являться прототипом для настоящего изобретения. Прототип представляет собой ветроколесо вертикально-осевой ветряной установки, содержащее ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к концам которых прикреплено силовое кольцо, к которому смонтированы вверх и вниз лопасти с образованием верхнего и нижнего ярусов, при этом лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединяются сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0.5-0.65 от ширины их сечения, причем часть обтекателей, установленных на траверсах, выполнена в виде центробежных аэродинамических тормозов.The latest Russian invention is closest to the present in terms of goals and methods for their achievement and may be a prototype for the present invention. The prototype is a wind-wheel of a vertical-axis wind turbine, containing a series of vertical blades rotating around a vertical axis and located at the center of rotation of the hub, from which power travers closed to the aerodynamic fairings radially in a plane close to the horizontal extend to the ends of which a power ring is attached, to which the blades are mounted up and down with the formation of the upper and lower tiers, while the blades of the upper tier are installed with an offset relative to the blades of the lower about the tier by half the angular distance between the blades in the tier, the upper ends of the blades of the upper tier and the lower ends of the blades of the lower tier are connected by flattened rings, the section height of which is 0.5-0.65 of the width of their section, and some of the fairings installed on the cross beams are made in the form of centrifugal aerodynamic brakes.

Основным недостатком прототипа являются изгибные колебания лопастной системы ветроколеса, вызываемые попеременным действием набегающего ветрового потока на лопасти верхнего и нижнего ярусов ветроколеса. Наличие силовых траверс между ступицей и силовым кольцом, несущим лопасти, вызывает соответствующие колебания ступицы, повышающие нагрузки на подшипниковые узлы, посредством которых ступица связана с закрепленным на мачте опорным основанием. Это приводит к повышенному износу подшипников и сокращению срока службы ветроэнергетической установки. Колебания опорного основания, переданные ему через ступицу от лопастной системы ветроколеса, возбуждают различные формы колебаний мачты. В результате, возникает угроза возникновения резонансов, могущих привести к разрушению ветроэнергетической установки. Появляется необходимость усложнения конструкции мачты для отстройки от резонансных частот.The main disadvantage of the prototype is the bending vibrations of the blade system of the wind wheel, caused by the alternating action of the incident wind flow on the blades of the upper and lower tiers of the wind wheel. The presence of power traverses between the hub and the power ring supporting the blades causes the corresponding vibrations of the hub, which increase the load on the bearing assemblies, through which the hub is connected to a support base fixed to the mast. This leads to increased bearing wear and reduced service life of the wind turbine. Oscillations of the support base transmitted to it through the hub from the blade system of the wind wheel excite various forms of mast oscillations. As a result, there is a risk of resonances that could lead to the destruction of the wind power installation. There is a need to complicate the design of the mast for the detuning from resonant frequencies.

Цель настоящего изобретения достигается тем, что ветроколесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения состоит из нескольких содержащих лопасти ярусов, связанных между собой несущими кольцевыми элементами, которые соединены со ступицей предварительно растянутыми тросами в качестве упругодемпфирующих элементов. Тросы являются менее жесткими элементами, чем обычно применяемые трубчатые или стержневые траверсы. Кроме того, тросы обладают способностью рассеивать энергию колебаний за счет трения отдельных прядей. Все тросы во время работы ветроколеса и стоянки остаются в растянутом состоянии. В предлагаемом изобретении тросы образуют одну или несколько периодических структур, в каждой из которых часть тросов, исходящих от вышеуказанных кольцевых элементов к ступице, имеет наклон по отношению к горизонту вверх, а оставшаяся часть имеет наклон вниз. При этом наклоны тросов к горизонту в разных периодических структурах различны, чтобы обеспечить разнесение тросов разных структур в пространстве. Для обеспечения устойчивости ветроколеса к крутильным колебаниям и одновременного их демпфирования продолжения линий половины тросов каждой периодической структуры проходят с одной стороны от оси вращения ветроколеса, а продолжения линий другой половины - с другой стороны от оси вращения.The purpose of the present invention is achieved in that the wind wheel of a wind turbine with a vertical axis of rotation consists of several tiered blades connected by supporting ring elements that are connected to the hub by pre-stretched cables as elastic damping elements. Cables are less rigid elements than commonly used tubular or rod yokes. In addition, the cables have the ability to dissipate the energy of vibrations due to the friction of individual strands. All cables during operation of the wind wheel and parking remain in a stretched state. In the present invention, the cables form one or more periodic structures, in each of which part of the cables emanating from the above ring elements to the hub has an inclination with respect to the horizon upward, and the remaining part has an inclination downward. At the same time, the tilts of the cables to the horizon in different periodic structures are different in order to ensure the separation of the cables of different structures in space. To ensure the stability of the wind wheel to torsional vibrations and their damping at the same time, the continuation of the lines of half the cables of each periodic structure pass on one side of the axis of rotation of the wind wheel, and the continuation of the lines of the other half on the other side of the axis of rotation.

Предлагаемое изобретение отличается тем, что уменьшается влияние на ступицу ветроколеса, а через нее на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей действующих на лопасти ветроколеса аэродинамических сил и моментов и обеспечивается плавная сбалансированная работа ветроколеса при всех ветровых режимах. Эти эффекты обусловлены соединением несущих лопастную систему ветроколеса элементов со ступицей с помощью структуры из предварительно растянутых тросов.The present invention is characterized in that the influence on the hub of the wind wheel is reduced, and through it on the bearing assemblies, the support base and the mast of the vibrational component of the aerodynamic forces and moments acting on the blades of the wind wheel, and a smooth balanced operation of the wind wheel is ensured under all wind conditions. These effects are due to the connection of the elements carrying the blade system of the windwheel with the hub using a structure of pre-stretched cables.

Ниже подробно описана одна из реализации конструкции.One of the design implementations is described in detail below.

Фиг.1 иллюстрирует одну из возможных реализаций предлагаемого технического решения. Ветроколесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения состоит из двух содержащих лопасти ярусов 1 и 2. Ярусы связаны между собой несущим кольцевым элементом 3. Несущий кольцевой элемент 3, выполненный в данном случае из отрезков труб, соединен со ступицей 4 предварительно растянутыми тросами 5 и 6. Все тросы во время работы ветроколеса остаются в растянутом состоянии. В данной реализации тросы образуют две периодические структуры 7 и 8. Цифры 7 и 8 указывают здесь на третью часть каждой из структур. Часть тросов 5 имеет наклон к горизонту вверх по ходу от несущего элемента 3 к ступице 4, другая часть 6 имеет наклон вниз. Из фиг.1 видно, что тросы структуры 8 имеют меньший наклон к горизонту, чем тросы структуры 7. Рисунок также ясно показывает, что половина продолжений линий тросов проходит с одной стороны оси вращения ветроколеса, а другая половина продолжений линий тросов - с другой стороны оси вращения.Figure 1 illustrates one of the possible implementations of the proposed technical solution. The wind wheel of a wind power plant with a vertical axis of rotation consists of two tiers 1 and 2 containing the blades. The tiers are interconnected by a supporting ring element 3. The supporting ring element 3, made in this case from pipe segments, is connected to the hub 4 by pre-stretched cables 5 and 6. All cables during operation of the wind wheel remain in a stretched state. In this implementation, the cables form two periodic structures 7 and 8. The numbers 7 and 8 here indicate the third part of each of the structures. Part of the cables 5 has an inclination to the horizon upstream from the carrier 3 to the hub 4, the other part 6 has an inclination down. Figure 1 shows that the cables of structure 8 have a smaller inclination to the horizon than the cables of structure 7. The figure also clearly shows that half of the extensions of the cable lines extend on one side of the axis of rotation of the wind wheel, and the other half of the extensions of the cable lines on the other side of the axis rotation.

Claims

Wind turbine of a wind turbine with a vertical axis of rotation, consisting of several tiers containing blades connected by supporting ring elements, which are connected to the hub by pre-stretched cables as elastic-damping elements, forming one or more periodic structures, in each of which part of the cables coming from the above ring elements to the hub, has an inclination upward with respect to the horizon, and the remaining part has an inclination downward, with the cables tilted to Horizonte in different periodic structures are different, the continuing lines of each half cable periodic structure extend from one side of the rotation axis of the propeller, and continuing lines of the other half - the other side of the axis of rotation.