RU2599097C2 - Moving medium energy converter - Google Patents
Moving medium energy converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2599097C2 RU2599097C2 RU2014112833/06A RU2014112833A RU2599097C2 RU 2599097 C2 RU2599097 C2 RU 2599097C2 RU 2014112833/06 A RU2014112833/06 A RU 2014112833/06A RU 2014112833 A RU2014112833 A RU 2014112833A RU 2599097 C2 RU2599097 C2 RU 2599097C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotation
- blade
- blades
- louvers
- converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
- F03D3/06—Rotors
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Wind Motors (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии поступательного и возвратно-поступательного движений среды воздуха, воды и др. в энергию вращательного движения колеса-ротора и может быть использовано для выработки электрической и механической энергии и в метеорологии для определения скорости движущегося потока среды - воздуха, воды и др. Преобразователь также может быть использован: в бесплотинных речных ГЭС, в ГЭС, использующих энергию волн, приливов и отливов, в морских и речных судах, в плавучих маяках и бакенах в качестве автономного источника энергии.The invention relates to the use of renewable energy sources of translational and reciprocal movements of air, water, etc. into the energy of rotational motion of a rotor wheel and can be used to generate electrical and mechanical energy and in meteorology to determine the speed of a moving medium flow - air, water, etc. The converter can also be used: in damless river hydroelectric power plants, in hydroelectric power stations using wave, tidal, tidal, marine and river vessels, in floating May ah and whiskers as an autonomous power source.
Известны преобразователи энергии движущейся среды в энергию вращательного движения преобразователя (колеса-ротора) содержащие:Known converters of the energy of a moving medium into the energy of the rotational motion of the Converter (wheel-rotor) containing:
вертикальный вал вращения, лопасти, симметрично расположенные вокруг вала вращения и шарнирно установленные на осях, параллельных валу вращения, и упоры, скрепленные с последним и ограничивающие угол поворота лопастей вокруг осей, причем каждая лопасть выполнена в виде двух неравных по размерам частей, разграниченных плоскостью, перпендикулярной к боковой поверхности лопасти и проходящей через ее ось, упоры, размещенные попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения, как это описано в патенте №2014486, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 15.06.1994,a vertical rotation shaft, blades symmetrically arranged around the rotation shaft and pivotally mounted on axes parallel to the rotation shaft, and stops fixed to the latter and limiting the angle of rotation of the blades around the axes, each blade made in the form of two parts of unequal size, delimited by a plane, perpendicular to the side surface of the blade and passing through its axis, stops placed in pairs on both sides of the axis of the blade in planes passing through the axis of the blades and the shaft of rotation, each of which blade blades are made with different masses to ensure equal static moments of the indicated parts of the blade relative to its axis, and the larger portion of the blade is made lighter and is located between the blade axis and the rotation shaft, as described in patent No. 2014486, IPC
шарнирно размещенный на стойке вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами, причем опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда лопаток, снабженные упорами, фиксирующими эластичный "материал относительно утолщенной оси и дополнительными рядами опор с лопатками, установленными выше и/или ниже первого ряда, выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку, как это описано в патенте №2316671, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.02.2008,a shaft pivotally mounted on a strut with supports rigidly and normally fastened to it and blades placed between the supports, mounted on axles with the possibility of rotation limited by two clamps, and the bearings being placed in at least two directions with the formation of a row of blades, equipped with stops, fixing elastic "material relative to the thickened axis and additional rows of supports with blades mounted above and / or below the first row, are made of a closed elastic material, tightly covering without possibly axial displacement, the thickened axis and the vertical rigid edge spring-loaded from the axis, as described in patent No. 2316671, IPC F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, published: 02/10/2008,
установленный на опоре вертикальный вал, на радиальных спицах которого закреплены лопасти, отличающийся тем, что каждая лопасть выполнена в виде набора перекрывающих друг друга лопаток, а каждая лопатка лопасти установлена с возможностью поворота в вертикальной плоскости на угол, равный 75-85°, и снабжена ограничителем ее поворота, как это описано в Свидетельстве на полезную модель №30871, МПК F03D 1/00, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.07.2003,mounted on a support vertical shaft, on the radial spokes of which the blades are fixed, characterized in that each blade is made in the form of a set of overlapping blades, and each blade of the blade is mounted to rotate in a vertical plane at an angle equal to 75-85 °, and equipped its rotation limiter, as described in the Utility Model Certificate No. 30871, IPC F03D 1/00, F03B 7/00, F03B 17/06, published: 07/10/2003,
установленные на вертикальной оси рамочные махи, каждый из которого содержит жестко соединенные друг с другом горизонтальные стержни и вертикальные ребра жесткости, лопасти, шарнирно закрепленные на махах (в каждой панели установлено несколько лопастей) с возможностью поворота и циклически взаимодействующие с упорами и ограничителями поворота, лопасти установлены шарнирно в панелях, жестко закрепленных на махах, лопасти выполнены плоскими и ось вращения каждой лопасти разделяет ее на неравные части с соотношением площадей в пределах от 10:1 до 3:1, как это описано в патенте №2202048, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 10.04.2003,mounted on a vertical axis, frame shafts, each of which contains horizontal rods rigidly connected to each other and vertical stiffeners, blades pivotally mounted on the shafts (several blades are installed in each panel) with the possibility of rotation and cyclically interacting with stops and rotation limiters, blades mounted pivotally in panels rigidly mounted on the wings, the blades are made flat and the axis of rotation of each blade divides it into unequal parts with an area ratio within from 10: 1 to 3: 1, as described in patent No. 2202048, IPC F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, published: 04/10/2003,
вал, шарнирно размещенный в стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, выполненными в виде радиальных консолей с аэродинамическим профилированием поперечного сечения, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, выполненными убирающимися в тело опоры при превышении силой давления лопатки тарированной силы пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении, лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, при этом поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом, как это описано в патенте №2270932, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, опубликовано: 27.02.2006, и который выбран в качестве прототипа.the shaft pivotally placed in the rack, around which in the radial directions between the bearings, made in the form of radial consoles with aerodynamic profiling of the cross section, rigidly and normally fastened to the shaft, blades are placed with the possibility of rotation limited by clamps made to be retracted into the body of the support when exceeded by force pressure blades calibrated spring force holding the retainer in position, the blades are made flat with rounded long edges and placed around the shaft as the minimum in two directions with gaps at the edges, while the rotation of the blade is limited by two latches, and the turbine layer thus formed is repeated along the length of the shaft with a uniform angular turn, as described in patent No. 2270932, IPC F03D 3/06, F03B 7/00 , F03B 17/06, published: 02.27.2006, and which is selected as a prototype.
Недостатками приведенных преобразователей являются наличие нескомпенсированных моментов сил лопастей относительно их осей вращения, приводящих в конечном итоге к снижению КПД преобразователя, за счет разворота лопастей (жалюзи) на некоторый угол относительно вектора скорости потока под действием центробежной силы в неактивной зоне потока, повышенных вибраций и шумовых эффектов, обусловленных отсутствием балансировки жалюзи относительно их осей вращения, приводящих в конечном итоге к снижению срока службы преобразователя и влиянию на окружающую среду.The disadvantages of the given converters are the presence of uncompensated moments of the forces of the blades relative to their rotational axes, which ultimately lead to a decrease in the efficiency of the converter due to the rotation of the blades (louvers) by a certain angle relative to the flow velocity vector under the action of centrifugal force in the inactive flow zone, increased vibrations and noise effects due to the lack of balancing of the blinds relative to their rotational axes, ultimately leading to a reduction in the life of the converter and the impact to the environment.
Технический результат заключается в повышении КПД преобразователя за счет резкого уменьшения сопротивления колеса-ротора в неактивной зоне и максимального использования располагаемой энергии в активной зоне встречного потока среды, повышении срока службы, снижении степени влияния преобразователя на окружающую среду, за счет снижения его вибраций и шумовых эффектов, обусловленных наличием нескомпенсированных моментов сил лопастей (жалюзи) - отсутствием балансировки лопастей (жалюзи) относительно их осей вращения, а при полной или частичной балансировке лопастей, как в случаях, описанных в патентах №№2014486, 30871, 2202048 вибрации усиливаются за счет низкой степени устойчивости положений лопастей вдоль потока в неактивной его зоне и исключении аварийных режимов работы при скоростях ветра, равных или больших ураганных значений, путем открывания механизма ограничителей поворота жалюзи в активной зоне потока центробежными регуляторами с грузиками и тарированными пружинами.The technical result consists in increasing the efficiency of the converter due to a sharp decrease in the resistance of the wheel-rotor in the inactive zone and maximizing the use of available energy in the active zone of the oncoming medium flow, increasing the service life, reducing the degree of influence of the converter on the environment, by reducing its vibration and noise effects due to the presence of uncompensated moments of the forces of the blades (blinds) - the lack of balancing of the blades (blinds) relative to their axis of rotation, and at full or hour By balancing the blades, as in the cases described in patents Nos. 2014486, 30871, 2202048, the vibrations are amplified due to the low degree of stability of the positions of the blades along the stream in its inactive zone and the elimination of emergency operation at wind speeds equal to or large hurricane values by opening the mechanism of rotation limiters for the blinds in the active zone of the flow by centrifugal regulators with weights and calibrated springs.
Для достижения технического результата, а именно повышения КПД преобразования энергии за счет резкого уменьшения сопротивления преобразователя (колеса-ротора) в неактивной зоне и максимального использования располагаемой энергии в активной зоне встречного потока среды в пределах радиального сечения, срока службы преобразователя и исключения его влияния на окружающую среду из-за повышенных шумовых эффектов и исключения аварийных режимов работы при скоростях среды, равных или больших ураганных значений, преобразователь энергии движущейся среды выполнен в виде колеса-ротора с перпендикулярной к скорости потока осью вращения, установлен на платформе или мачте и снабжен одним или несколькими составными из несущих конструкций и жалюзи балансированными лопастями, жестко связанными с валом, плоскости которых проходят через ось вращения колеса-ротора-вала, а оси вращения жалюзи смещены к одному краю и установлены вдоль несущей конструкции лопасти на равных ширине жалюзи расстояниях, причем жалюзи балансированы на своих осях вращения жестко закрепленными грузиками с минимальным сечением в плоскостях жалюзи, с ограничителями их поворота, установленными вдоль несущих конструкций лопастей и кинематически связанными между собой и тарированной пружиной со стороны оси вращения преобразователя и грузиком с минимальным сечением в плоскости лопасти с внешней стороны, а масса грузика, кинематически связанного с ограничителями поворота жалюзи, определяют по соотношению:To achieve a technical result, namely, increasing the energy conversion efficiency due to a sharp decrease in the resistance of the converter (rotor wheel) in the inactive zone and maximizing the use of available energy in the active zone of the oncoming medium flow within the radial section, converter service life and eliminating its effect on the environment environment due to increased noise effects and the exclusion of emergency operation at medium speeds equal to or large hurricane values, the energy converter moves The medium is made in the form of a rotor wheel with an axis of rotation perpendicular to the flow velocity, mounted on a platform or mast and equipped with one or more components of load-bearing structures and shutters with balanced blades rigidly connected to the shaft, the planes of which pass through the axis of rotation of the rotor wheel shaft, and the axis of rotation of the blinds are offset to one edge and installed along the supporting structure of the blade at equal distances to the width of the blinds, and the blinds are balanced on their axis of rotation by rigidly fixed weights with imal section in the planes of the blinds, with rotation limiters installed along the bearing structures of the blades and kinematically connected with each other and a tared spring on the rotational axis of the transducer and a small weight with a minimum section in the plane of the blade on the outside, and the weight of the weight kinematically connected with rotation limiters blinds, determined by the ratio:
где m, k, Δx, R, vy - соответственно масса груза, коэффициент жесткости пружины, величина смещения ограничителей поворота жалюзи, радиус вращения центра грузика, скорость ураганного ветра. Причем преобразователь с одной лопастью балансирован дополнительным грузом с минимальным сечением в плоскости лопасти и жестко связан с лопастью.where m, k, Δx, R, v y are the mass of the cargo, the spring stiffness coefficient, the displacement of the rotation limiters of the blinds, the radius of rotation of the center of the weight, and the speed of the hurricane wind. Moreover, the converter with one blade is balanced by an additional load with a minimum cross section in the plane of the blade and is rigidly connected with the blade.
Для пояснения сути изобретения на фигурах 1-3 схематически изображены: 1 а и б преобразователь (а - вид сверху и б - сбоку), 2 а и б варианты преобразователя, установленного на мачте а и платформе б, 3 а, б, в и г зависимости: момента силы, действующей на лопасть, от времени (от положения ориентации лопасти относительно вектора скорости потока среды) в одно - а, двух - б, трех - в и четырехлопастном г случаях. Пунктирная горизонтальная прямая Mi соответствует усредненному во времени значению момента силы, действующей на преобразователь во всех вариантах конструкции. В случаях б-двух, в-трех и г-четырехлопастных конструкций преобразователя начальные фазы вращения последующих лопастей смещены соответственно на углы в: π, 2π/3 и π/2 радианов. Преобразователь может быть реализован и с большим количеством лопастей, как это показано на рис. 1.To clarify the essence of the invention, figures 1-3 schematically show: 1 a and b transducer (a is a top view and b is a side view), 2 a and b are variants of the transducer mounted on mast a and platform b, 3 a, b, c and g dependence: the moment of force acting on the blade, on time (on the position of the orientation of the blade relative to the velocity vector of the medium flow) in one - a, two - b, three - in and four-blade r cases. The dashed horizontal line M i corresponds to the time-averaged value of the moment of force acting on the transducer in all design variants. In cases of b-two, b-three and d-four-blade converter structures, the initial phases of rotation of the subsequent blades are shifted by angles of π, 2π / 3 and π / 2 radians, respectively. The converter can be implemented with a large number of blades, as shown in Fig. one.
Преобразователь 1 (двухлопастный вариант) снабжен лопастями 2, закрепленными на вертикальном валу, вращающемся на оси вращения, установленной на опорной трубе 3. Лопасти 2 выполнены составными из несущих конструкций и жалюзи 4, установленных на вертикальных осях вращения 5. Жалюзи 4 балансированы, на смешенных к одному краю осях вращения, грузиками 6, как это показано на фигуре 1а. На фигуре 1б изображен преобразователь - вид со стороны потока. На правой активной части потока все жалюзи 4 закрыты, а на левой неактивной части потока все жалюзи открыты, оказывая тем самым практически нулевое сопротивление встречному потоку.The transducer 1 (two-bladed version) is equipped with
Преобразователь (колесо-ротор) 7 (двухлопастный вариант) установлен на вертикальной мачте 8 на растяжках 9, как это схематически изображено на фигуре 2а. Правые жалюзи 4 при этом закрыты, а левые открыты, и преобразователь (колесо-ротор) вращается по часовой стрелке. Преобразователь 7 с лопастями 4 на вертикальной мачте 8 вращается на опорных подшипниках. Вертикальная мачта закреплена на фундаменте 10. Преобразователь 7 снабжен шкивом 11 привода ротора электрогенератора 12 (смотри фигуру 2а). Электрогенератор в этой конструкции может быть установлен как на верхней площадке, так и внизу (изображен пунктирно). При горизонтальной оси вращения колеса-ротора он устанавливается на платформе 13 (смотри фигуру 2б).The converter (wheel-rotor) 7 (two-bladed version) is mounted on a
В зависимости от положения лопасти, относительно направления потока, момент силы, действующий со стороны потока на лопасть за один оборот колеса-ротора, меняется по верхней половине синусоиды, приведенной на фигуре 3а, в случае однолопастного варианта конструкции. Над первой половиной кривой синусоиды стрелками изображены последовательные семь положений лопасти (положения стрелок) в активной зоне колеса-ротора с указанием углов атаки относительно скорости потока. На фигурах 3б-г изображены соответственно зависимости моментов сил, действующих на: двухлопастное 3б, трехлопастное 3в и четырехлопастное 3г колесо-ротор. Во всех случаях над первыми кривыми синусоидов изображены положения лопастей в активной зоне относительно направления потока среды.Depending on the position of the blade relative to the direction of flow, the moment of force acting on the side of the flow on the blade for one revolution of the rotor wheel changes along the upper half of the sinusoid shown in figure 3a, in the case of a single-blade design. Over the first half of the sinusoidal curve, the arrows show the successive seven positions of the blade (the positions of the arrows) in the active zone of the rotor wheel, indicating the angles of attack relative to the flow velocity. In figures 3b-g, respectively, the dependences of the moments of forces acting on: two-blade 3b, three-blade 3c and four-blade 3G wheel-rotor are shown. In all cases, the positions of the blades in the core relative to the direction of the medium flow are shown above the first sinusoidal curves.
Преобразователь энергии движущейся среды в энергию вращательного движения колеса-ротора работает следующим образом.The Converter of energy of a moving medium into the energy of the rotational motion of the rotor wheel works as follows.
При движении среды поток закрывает жалюзи лопасти, находящиеся относительно потока в активной зоне Д Е В, и колесо-ротор в этом случае вращается против часовой стрелки, так как поворот жалюзи ограничен в правой части потока в интервале 0-180° несущей конструкции, как это изображено на фигуре 1а и б. Поворот жалюзи может быть ограничен и в левой части потока в интервале 0-180°, если необходимо вращать колесо-ротор по часовой стрелке по желанию потребителя.When the medium moves, the flow closes the louvres of the blades located relative to the flow in the active zone Д Е В, and the rotor wheel in this case rotates counterclockwise, since the rotation of the louvres is limited on the right side of the flow in the range 0-180 ° of the supporting structure, as depicted in figures 1a and b. The rotation of the blinds can be limited in the left part of the flow in the range of 0-180 °, if it is necessary to rotate the rotor wheel clockwise at the request of the consumer.
Если смотреть на колесо-ротор со стороны налетающего потока среды, в левой неактивной зоне потока жалюзи лопастей устанавливаются параллельно скорости движения потока, а угол их ориентации относительно несущей конструкции лопасти, устанавливаемый последовательно в положениях а (В), б, в (С), г, д (Д), убывает от 180° до 0°, как это показано на фигурах 1а и б. Таким образом, во всех положениях несущих конструкций лопастей жалюзи в левой неактивной зоне потока ориентированы вдоль потока, обеспечивая, тем самым, практически нулевое сопротивление движущемуся потоку. Положения жалюзи в этой зоне являются максимально устойчивыми за счет: обеспечения балансировки жалюзи относительно их смещенных к одному краю осей вращения жестко связанными грузиками (6) и полного исключения, тем самым, опрокидывающего момента центробежной силы, действующей на жалюзи. При этом сопротивление грузиков движущейся среде тоже практически сведено к нулю за счет их минимального сечения в плоскости жалюзи.If you look at the rotor wheel from the side of the incident flow of the medium, in the left inactive zone of the flow, the blades of the blades are set parallel to the speed of the flow, and the angle of their orientation relative to the supporting structure of the blade, set sequentially in positions a (B), b, c (C), g, d (D), decreases from 180 ° to 0 °, as shown in figures 1a and b. Thus, in all positions of the supporting structures of the blades, the louvers in the left inactive zone of the flow are oriented along the flow, thereby providing almost zero resistance to the moving flow. The position of the blinds in this zone is the most stable due to: balancing the blinds relative to their axes of rotation shifted to the same edge by rigidly connected weights (6) and the complete elimination, thereby tipping the moment of centrifugal force acting on the blinds. In this case, the resistance of the weights to the moving medium is also practically reduced to zero due to their minimum cross section in the plane of the blinds.
Рост скорости движения среды до аварийных значений приводит к увеличению скорости вращательного движения преобразователя и, следовательно, центробежной силы, действующей на грузики ограничителей поворота жалюзи. При (аварийной) скорости вращения преобразователя, соответствующей условию, когда центробежная сила (Fц.б), действующая на грузик радиально от центра, будет больше, чем упругая сила (Fупр) тарированной пружины, действующей со стороны оси вращения преобразователя, т.е. когда Fц.б>Fyпp ограничители поворотов жалюзи смешаются относительно исходных положений и прекращают свои действия до тех пор, пока скорость вращения преобразователя будет соответствовать аварийному значению. Как только скорость среды снизится ниже аварийного значения, ограничители возвращаются в исходные положения под действиями упругих сил тарированных пружин. Значения центробежной и упругой сил определяются из соотношений:An increase in the speed of the medium to emergency values leads to an increase in the rotational speed of the converter and, consequently, the centrifugal force acting on the weights of the rotation limiters of the blinds. With the (emergency) speed of rotation of the transducer corresponding to the condition when the centrifugal force (F cb ) acting on the weight radially from the center will be greater than the elastic force (F control ) of the calibrated spring acting on the side of the axis of rotation of the transducer, i.e. e. when F cb > F yпп the limiters of turns of the blinds are mixed with respect to the initial positions and stop their actions until the rotation speed of the converter corresponds to the emergency value. As soon as the medium velocity drops below the emergency value, the limiters return to their original positions under the action of the elastic forces of the calibrated springs. The values of centrifugal and elastic forces are determined from the relations:
где m, k, Δx, R, vy, ω - соответственно масса груза, коэффициент жесткости пружины, величина смещения ограничителей поворота жалюзи, радиус вращения центра грузика, скорость ураганного ветра, угловая скорость вращения преобразователя. Величина массы по заданным значениям аварийной скорости среды и коэффициента жесткости пружины определяется из равенства (1):where m, k, Δx, R, v y , ω are the mass of the load, the spring stiffness coefficient, the displacement of the rotation limiters of the blinds, the radius of rotation of the center of the weight, the speed of the hurricane wind, the angular speed of rotation of the converter. The mass value according to the specified values of the emergency medium velocity and the spring stiffness coefficient is determined from equality (1):
Смешение осей вращения балансированных жалюзи к одному их краю обеспечивает максимальную устойчивость положений жалюзи относительно их осей вращения в неактивной части потока среды. Балансировка жалюзи со смещенными к одному краю осями вращения осуществляется жестко закрепленными грузиками (6) с минимальным сечением в плоскостях жалюзи. Этим, практически, к нулю сводятся сопротивление лопастей и вибрации жалюзи в неактивной зоне движущегося потока среды. Таким образом, за счет минимизации суммарной площади сечения лопастей с жалюзи и их балансировочных грузиков и полной балансировки каждого жалюзи и лопасти вокруг своих осей вращения обеспечивается достижение максимального КПД и срока службы и минимального воздействия предлагаемой конструкции преобразователя на окружающую среду. Этим обеспечивается достижение первой части технического результата. Для исключения аварийных режимов работы преобразователя при ураганных скоростях среды используются центробежные регуляторы, установленные на лопастях для реализации условия: Fц.б>Fyпp. Это обеспечивает минимум сопротивления преобразователя как в активной, так и в неактивной зонах потока при ураганных значениях его скорости и тем самым исключение аварийных режимов работы и, следовательно, достижение второй части технического результата (при этом преобразователь переходит в состояние покоя).Mixing the rotation axes of the balanced blinds to one of their edges provides maximum stability of the blinds relative to their rotation axes in the inactive part of the medium flow. Balancing of blinds with axes of rotation shifted to one edge is carried out by rigidly fixed weights (6) with a minimum cross section in the planes of the blinds. This practically reduces to zero the resistance of the blades and the vibration of the blinds in the inactive zone of the moving flow of the medium. Thus, by minimizing the total cross-sectional area of the blades with the blinds and their balancing weights and by completely balancing each blind and blade around its axis of rotation, maximum efficiency and service life and the minimum environmental impact of the proposed converter design are achieved. This ensures the achievement of the first part of the technical result. To eliminate the emergency operation of the converter at hurricane speeds of the medium, centrifugal regulators mounted on the blades are used to implement the conditions: F cb > F ypr . This ensures a minimum resistance of the converter in both the active and inactive zones of the flow with hurricane values of its speed and thereby eliminating emergency operation and, therefore, achieving the second part of the technical result (in this case, the converter goes to rest).
В положении Д несущей конструкции преобразователя жалюзи лопастей закрываются (складываются в лопасть), образовывая тем самым, практически, сплошную лопасть, угол ориентации которой относительно направления скорости движения среды меняется от 0° до 180°. Этим обеспечивается максимум коэффициента преобразования энергии движения потока в энергию вращения колеса-ротора. Положение закрытых жалюзи лопасти является активной зоной действия потока движущейся среды.In position D of the bearing structure of the transducer, the blinds of the blades are closed (fold into a blade), thereby forming, in practice, a continuous blade, the angle of orientation of which relative to the direction of the velocity of the medium varies from 0 ° to 180 °. This ensures the maximum coefficient of conversion of the energy of the flow to the energy of rotation of the wheel-rotor. The position of the closed louvre of the blade is the active zone of action of the flow of a moving medium.
При дальнейшем повороте колеса-ротора в положении В или а на жалюзи действует поток с обратной стороны - со стороны открытия, и последние поворачиваются (опрокидываются) на угол 180° и, таким образом, цикл вращения колеса замыкается.With further rotation of the rotor wheel in position B or a, the blinds are affected by the flow from the reverse side - from the opening side, and the latter turn (tilt) through an angle of 180 ° and, thus, the wheel rotation cycle closes.
Вариант горизонтального расположения колеса-ротора приведен на фигуре 2б. Преобразователь - колесо-ротор - установлен на станине 13, и его вращательное движение через шкив 11 передается ремнем шкиву ротора генератора 12. Этот вариант расположения колеса-ротора наиболее эффективен и надежен при больших мощностях однонаправленных поступательных и возвратно-поступательных движений потока среды, как в случаях рек, морских волн, приливов и отливов. Преобразователь полностью утоплен в движущую среду, а ограничители поворота жалюзи находятся в положениях, когда верхние (относительно оси вращения преобразователя) уложены в лопасть, а нижние открыты. В этом случае ограничители поворота лопастей преимущественно должны находится в таком положении, когда верхние жалюзи открыты, так как скорость потока движущейся среды увеличивается с удалением от дна реки, или моря, или поверхности земли. При больших значениях мощностей движущегося потока среды также эффективно и вертикальное расположение оси вращения преобразователя на станине.A horizontal arrangement of the rotor wheel is shown in figure 2b. The converter — the rotor wheel — is mounted on the
Зависимости моментов сил, действующих на одно-, двух- , трех- и четырехлопастное колесо-ротор с осью вращения, перпендикулярной к скорости движения потока, от времени при различных положениях ориентации лопастей в движущемся потоке среды описываются синусоидальными функциями и изображены на фигурах 3а-г. На всех рисунках пунктирной линией выше оси времени приведены усредненные значения моментов сил (Mi), действующих на преобразователь в активной зоне потока. Как видно из графиков, среднее значение момента силы, действующей на преобразователь, растет с ростом числа лопастей и практически достигает максимума в четырехлопастной конструкции. Усредненное значение момента силы Mi для: одно- (М1), двух- (M2), трех- (М3) и четырехлопастной (М4) конструкции колеса-ротора, действующей за один оборот, составляет соответственно величину: 0,318, 0,647, 0,71 и 0,95 максимального значения. Как следует из графиков, для увеличения мощности установки число лопастей необходимо увеличивать для достижения максимума среднего значения момента силы, действующей на колесо-ротор. Однако увеличение числа лопастей более четырех не приводит к практически ощутимому изменению величины среднего значения момента силы по сравнению с ростом затрат на изготовление такого преобразователя.The time dependences of the forces acting on a one-, two-, three-, and four-bladed rotor wheel with an axis of rotation perpendicular to the speed of flow, for various positions of the orientation of the blades in a moving fluid flow are described by sinusoidal functions and are shown in figures 3a-d . In all the figures, the dashed line above the time axis shows the average values of the moments of forces (M i ) acting on the transducer in the active zone of the flow. As can be seen from the graphs, the average value of the moment of force acting on the transducer increases with the number of blades and almost reaches a maximum in the four-blade design. The average value of the moment of force M i for: single (1 M), twice (M 2), three (3 M) and chetyrehlopastnym (M 4) of the structure-of the rotor wheel serving for one revolution is respectively magnitude: 0,318, 0.647, 0.71 and 0.95 of the maximum value. As follows from the graphs, to increase the power of the installation, the number of blades must be increased to achieve the maximum average value of the moment of force acting on the rotor wheel. However, an increase in the number of blades of more than four does not lead to a practically perceptible change in the magnitude of the average value of the moment of force compared with the increase in the cost of manufacturing such a converter.
При смене направления движения потока на обратное, как в случаях морских волн, приливов и отливов, жалюзи лопастей открываются, когда лопасть переходит в зону а (В), б, в, г, д (Д), а в зоне Д Е а (В) жалюзи лопасти открываются, обеспечивая тем самым преобразование энергии возвратно-поступательного движения среды в энергию вращательного движения колеса-ротора.When the direction of flow is reversed, as in the case of sea waves, ebbs and flows, the louvres of the blades open when the blade goes into zone a (B), b, c, d, d (D), and in zone D E a ( C) the louvres of the blade open, thereby converting the energy of the reciprocating motion of the medium into the energy of the rotational motion of the rotor wheel.
Преимущества предлагаемой конструкции преобразователя способствует расширению областей его применения, начиная от высокоточного измерения скорости потока во всех интервалах ее изменения до преобразования энергии движущихся потоков любой мощности, даже при их скоростях, близких к ураганным значениям.The advantages of the proposed converter design contributes to the expansion of its fields of application, from high-precision measurement of the flow velocity in all intervals of its change to the conversion of energy of moving flows of any power, even at their speeds close to hurricane values.
Таким образом, максимум момента силы, действующей на колесо-ротор, достигается, когда лопасть в активной зоне проходит через положение нормали к скорости потока.Thus, the maximum moment of force acting on the rotor wheel is achieved when the blade in the core passes through the normal to the flow velocity.
Результаты испытания макетного образца двухлопастной конструкции преобразователя показали, что КПД устройства при скоростях ветра, изменяющихся в интервале 2-12 м/с, составляет величину 0,53 при теоретически предельном значении 0,647, для четырехлопастной конструкции момент силы, действующий на преобразователь, достигает 0,82 при предельном его значении в 0,95. Это свидетельствует о высокой энергической эффективности предлагаемой конструкции преобразователя.The test results of a prototype of a two-blade design of the transducer showed that the efficiency of the device at wind speeds varying in the range of 2-12 m / s is 0.53 with a theoretical limit value of 0.647, for a four-blade design, the moment of force acting on the converter reaches 0, 82 at its limit value of 0.95. This indicates the high energy efficiency of the proposed design of the Converter.
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU №2014486, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 15.06.1994.1. Patent RU No. 2014486,
2. Патент RU №2316671, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 10.02.2008.2. Patent RU No. 2316671,
3. Свидетельство на полезную модель №30871, МПК F03D 1/00, 10.07.2003.3. Utility Model Certificate No. 30871,
4. Патент RU №2202048, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 10.04.2003.4. Patent RU No. 2202048,
5. Патент RU №2270932, МПК F03D 3/06, F03B 7/00, F03B 17/06, 27.02.2006.5. Patent RU No. 2270932,
Claims (3)
где m, k, Δх, R, νy - соответственно масса груза, коэффициент жесткости пружины, величина смещения ограничителей поворота жалюзи, радиус вращения центра грузика, скорость ураганного ветра. 3. The energy converter of a moving medium according to claim 1, characterized in that the mass of the weight kinematically connected with the rotation limiters of the blinds is determined by the ratio:
where m, k, Δх, R, ν y are, respectively, the mass of the load, the stiffness coefficient of the spring, the displacement of the rotation limiters of the blinds, the radius of rotation of the center of the weight, the speed of the hurricane.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112833/06A RU2599097C2 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Moving medium energy converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112833/06A RU2599097C2 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Moving medium energy converter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014112833A RU2014112833A (en) | 2015-10-10 |
| RU2599097C2 true RU2599097C2 (en) | 2016-10-10 |
Family
ID=54289380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014112833/06A RU2599097C2 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Moving medium energy converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2599097C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU210373U1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-14 | Павел Николаевич Лобода | WIND TURBINE |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2038467A (en) * | 1934-08-30 | 1936-04-21 | Zanoski Leon | Windmill |
| US3743848A (en) * | 1972-02-25 | 1973-07-03 | N Strickland | Wind driven power producing apparatus |
| SU1134772A1 (en) * | 1983-06-28 | 1985-01-15 | Gladkij Vitalij S | Rotor-type windmill wheel |
| WO1986005846A1 (en) * | 1985-04-04 | 1986-10-09 | Herter Rotor Gmbh | Wind energy converter |
-
2014
- 2014-04-02 RU RU2014112833/06A patent/RU2599097C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2038467A (en) * | 1934-08-30 | 1936-04-21 | Zanoski Leon | Windmill |
| US3743848A (en) * | 1972-02-25 | 1973-07-03 | N Strickland | Wind driven power producing apparatus |
| SU1134772A1 (en) * | 1983-06-28 | 1985-01-15 | Gladkij Vitalij S | Rotor-type windmill wheel |
| WO1986005846A1 (en) * | 1985-04-04 | 1986-10-09 | Herter Rotor Gmbh | Wind energy converter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU210373U1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-14 | Павел Николаевич Лобода | WIND TURBINE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014112833A (en) | 2015-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4035537B2 (en) | Vertical axis drive device such as vertical axis wind turbine and power generation device using the same | |
| US5405246A (en) | Vertical-axis wind turbine with a twisted blade configuration | |
| US5451138A (en) | Unidirecional reaction turbine operable under reversible fluid from flow | |
| US8698331B2 (en) | Bidirectional axial flow turbine with self-pivoting blades for use in wave energy converter | |
| US20080159873A1 (en) | Cross fluid-flow axis turbine | |
| US20130145753A1 (en) | Turbomachinery Having Self-Articulating Blades, Shutter Valve, Partial-Admission Shutters, and/or Variable-Pitch Inlet Nozzles | |
| US20100278647A1 (en) | Fluid turbine | |
| EP3613980A1 (en) | Vertical-shaft turbine | |
| US20200132044A1 (en) | Wind turbine | |
| Pendharkar et al. | Optimization of a vertical axis micro wind turbine for low tip speed ratio operation | |
| US10502184B2 (en) | Power generating device | |
| RU2599097C2 (en) | Moving medium energy converter | |
| KR20140142500A (en) | Turbine and power generating apparatus having the same | |
| EP3643913B1 (en) | Sail device | |
| JP2020026784A (en) | Wind angle autonomous amplitude controlling type wind turbine | |
| JP2019100289A (en) | Vertical shaft windmill | |
| JP2015166562A (en) | Vertical axis drag type wind turbine capable of preventing its overspeed under strong wind and wind power generator | |
| WO2020152590A1 (en) | Turbine for a vertical-axis wind turbine generator | |
| RU2461733C1 (en) | Wind-driven unit | |
| KR101310877B1 (en) | Energy shaft, hydroelecric power generation using the same, and wind power generation using the same | |
| RU2664639C2 (en) | Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade | |
| JPH04137270U (en) | Variable blade type and rotating blades for wind and hydroelectric generators | |
| RU2470181C2 (en) | Wind turbine with vertical rotational axis | |
| RU122128U1 (en) | WIND POWER PLANT | |
| JPS62168970A (en) | Power generation device utilizing kinetic energy of water current |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160802 |