RU2637589C1

RU2637589C1 - Wind mill aerostat-floating engine

Info

Publication number: RU2637589C1
Application number: RU2016149310A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Губанов
Original assignee: Александр Владимирович Губанов
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2017-12-05
Also published as: WO2018111153A2; WO2018111153A3

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: wind mill aerostat-floating engine contains aerostat-floating module in the composition of aerostat envelope, a wind-power unit including a generator and orthogonally-blade wind mills, a cable, a conducting rope, and a mooring assembly, on which rotary platform there are two coaxial winches and diametrically opposite cable coil are mounted. At the bottom of the aerostat envelope which is in the form of a gas-filled ball by meridian bands, there is a ring pressed by planar wind vanes on brackets, a H-shaped frame is fixed in the diametric and perpendicular ring plane to the wind, in this case the brackets with the planar wind vanes are extended at a right angle from the frame sides to the branch side. A generator is installed in the middle of the frame horizontal beam. The generator horizontal shaft projects from the both ends of the generator and conjugates with orthogonally-blade wind mills coaxial thereto, which are equally extended beyond the frame limits and rotatable in bearings built into the frame sides. The conducting rope is fixed in the middle of the frame horizontal beam, the cables are tensioned down to winches from the lower end sides of the H-shaped frame.

EFFECT: invention is aimed to maintain stability and power generation from ascending air flows achieved by the wind mill engine with the power unit lifted by the aerostat-floating module to the height of high-speed winds.

2 dwg

Description

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию малых и средних мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.It is used to generate wind energy in electricity of small and medium capacities achieved in high-altitude high-speed layers of the atmosphere.

Настоящий двигатель относится к энергетическим установкам, имеющим ортогональные лопасти и горизонтальную ось вращения виндроторов, перпендикулярную направлению ветра.The present engine relates to power plants having orthogonal blades and a horizontal axis of rotation of the wind rotors perpendicular to the direction of the wind.

В большинстве климатических условий ветроэнергетические установки работают от ветра, перемещающегося в низовых слоях атмосферы с незначительными отклонениями от горизонтальности, не превышающими 6° к поверхности земли. Такое движение воздушных масс является единственно приемлемой для ветряных турбин с радиальными лопастями и осью вращения, совпадающей с направлением ветра, отклонение от указанной аэродинамики приводит к резкому падению КПД турбины и завершается ее полной остановкой в поднимающихся потоках воздуха. Это же правило действует применительно к виндроторам с ортогональными лопастями и осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, та же ось должна одновременно занимать вертикальное положение.In most climatic conditions, wind power plants operate from wind moving in the lower layers of the atmosphere with slight deviations from the horizontal, not exceeding 6 ° to the earth's surface. Such movement of air masses is the only acceptable for wind turbines with radial blades and an axis of rotation that coincides with the direction of the wind, a deviation from the indicated aerodynamics leads to a sharp drop in the efficiency of the turbine and ends with its complete stop in rising air flows. The same rule applies to wind rotors with orthogonal blades and an axis of rotation perpendicular to the direction of the wind, the same axis must simultaneously occupy a vertical position.

Вместе с тем существуют регионы, где наблюдается в результате особых климатических условий или предгорного ландшафта преобладание восходящих атмосферных масс. Применение в таком случае систем с вертикально-осевыми виндроторами, поднятыми в составе аэростатно-плавательных модулей на высоту скоростных ветров, как ветрогенератор (патент RU 2576103 С1, 27.01.2015) или аэростатное крыло ветроэнергетического назначения (патент RU 2594827 С1, 15.10.2015), дает неудовлетворительные результаты. Уже при не столь значительном отклонении ветра от горизонтальной траектории мощность генераторов падает, т.к. аэростатные оболочки расположены относительно виндроторов так, что заслоняют их от напора наклонных воздушных потоков.At the same time, there are regions where the prevalence of ascending atmospheric masses is observed as a result of special climatic conditions or a foothill landscape. The use in this case of systems with vertical-axis wind rotors raised as a part of aerostat-swimming modules to the height of high-speed winds, such as a wind generator (patent RU 2576103 C1, 01/27/2015) or a balloon wing of wind energy designation (patent RU 2594827 C1, 10/15/2015) gives unsatisfactory results. Even with a not so significant deviation of the wind from the horizontal path, the power of the generators decreases, because balloon shells are located relative to the wind rotors so that they obscure them from the pressure of inclined air flows.

Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные модификации (патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991; US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991). Однако эти аэростаты не предназначены для ветроэнергетических целей, поднимают в атмосферу и удерживают на высоте прежде всего системы видео наблюдения, метеорологические приборы ретрансляторы и т.п. иное оборудование.The most common types of tethered balloons are spherical shells filled with light gas and their cigar-shaped modifications (patents RU 2046734 C1, 06/13/1991; US 20090152391 A1, 03/04/2006), to which baskets are suspended from the bottom (patent RU 2026238 C1, 21.11. 1991). However, these balloons are not intended for wind energy purposes, they are lifted into the atmosphere and kept at a height above all video surveillance systems, meteorological devices, transponders, etc. other equipment.

Приспособлению к ветроэнергетическим целям служит ветряная электростанция (патент DE 2524360 А1, 02.06.1975), в одной из модификаций которой (фиг. 17) ветросиловой блок подвешен к аэростатной оболочке перевернутой каплевидной формы на гибких стропах, что создает пространственную неустойчивость воздухоплавательного модуля в целом. Отличительной особенностью от этой станции высотной ветросиловой установки (патент SU 8970 А1, 11.08.1987) является использование жесткой фермы, закрепленной на днище аэростатной оболочки и служащей опорной конструкцией для по меньшей мере одного ветросилового блока. Поскольку в состав ветросиловых блоков обоих устройств входят турбины с осями вращения, совпадающими с направлением горизонтально перемещающихся ветров, применение таких установок в условиях восходящих воздушных потоков нецелесообразно по вышеизложенным причинам.The wind power station (patent DE 2524360 A1, 06/02/1975), in one of the modifications of which (Fig. 17) the wind power unit is suspended from an inverted drop-shaped balloon on flexible slings, which creates the spatial instability of the aeronautical module as a whole, serves as an adaptation to wind energy purposes. A distinctive feature of this high-altitude wind power plant station (patent SU 8970 A1, 08/11/1987) is the use of a rigid truss fixed to the bottom of the balloon and serving as a supporting structure for at least one wind power unit. Since the structure of the wind power blocks of both devices includes turbines with rotational axes coinciding with the direction of horizontally moving winds, the use of such installations in conditions of ascending air currents is impractical for the above reasons.

В надземной ветрогенераторной системе (патент RU 2457358 С1, 27.07.2012) используется виндротор с неортогональными лопастями Савониуса, горизонтальная ось вращения которого перпендикулярна направлению ветра. Перпендикулярная ориентация оси вращения виндротора на ветер является неизменным качеством устройства и сохраняется при любых перемещениях атмосферных потоков, включая их поднимающийся характер. Вместе с тем в этой системе виндротор располагается в аэростатно-плавательном модуле таким образом, что закрыт от поднимающихся ветров, будучи помещен в продольное отверстие горизонтально-вытянутой аэростатной оболочки или в щель между двумя горизонтальными оболочками, либо в зазор между элементами, соединяющими оболочки. Вследствие таких конструктивных особенностей системы вращение виндротора в восходящем воздушном потоке делается невозможным.In an elevated wind generator system (patent RU 2457358 C1, July 27, 2012), a wind rotor with non-orthogonal Savonius blades is used, the horizontal axis of rotation of which is perpendicular to the direction of the wind. The perpendicular orientation of the axis of rotation of the windrotor towards the wind is an unchanged quality of the device and is preserved during any movement of atmospheric flows, including their rising nature. At the same time, in this system, the wind rotor is located in the balloon-swimming module in such a way that it is closed from rising winds, being placed in the longitudinal hole of the horizontally elongated balloon balloon or in the gap between two horizontal shells, or in the gap between the elements connecting the shells. Due to such design features of the system, the rotation of the wind rotor in the upward air flow is made impossible.

Известен ветродвигатель (патент SU 1509560 А1, 02.09.1987), оснащенный ортогонально-лопастными виндроторами с горизонтальными осями вращения, перпендикулярными направлению ветра, способными работать в восходящих потоках воздуха. Однако все виндроторы данного ветродвигателя приподняты над уровнем аэростатных оболочек, центр тяжести аэростатно-плавательного модуля смещен вверх, в устройстве отсутствуют элементы поддержания как продольной, так и поперечной стабильности модуля, оптимальной ориентации оси вращения его виндроторов в воздушном пространстве. Устойчивость генерации не обеспечена, возможности практического применения ветродвигателя вызывают серьезные сомнения.Known wind turbine (patent SU 1509560 A1, 09/02/1987), equipped with orthogonal-bladed wind rotors with horizontal axes of rotation perpendicular to the direction of the wind, capable of working in ascending air currents. However, all the wind rotors of this wind turbine are elevated above the level of the balloon shells, the center of gravity of the balloon-swimming module is shifted upward, the device lacks elements for maintaining both the longitudinal and lateral stability of the module, and the optimal orientation of the axis of rotation of its windrotors in airspace. Generation stability is not ensured; the possibilities of practical application of a wind turbine raise serious doubts.

Сущность изобретения состоит в том, что ветросиловой блок аэростатно-плавательного модуля устройства укомплектован двумя ортогонально-лопастными виндроторами, горизонтальные оси вращения которых перпендикулярны направлению ветра, разно направленно и симметрично выступают за пределы Н-образной рамы. Генератор установлен по середине рамы на ее горизонтальной перекладине, вал генератора выступает с обоих его торцов и сопряжен с соосными ему осями вращения виндроторов. Рама закреплена на кольце, прижатому к днищу аэростатной оболочки в форме газонаполненного шара меридианными лентами, отходит вниз диаметрально кольцу и в плоскости, перпендикулярной направлению ветра. Кроме рамы от кольца отходят кронштейны с плоскостными флюгерами. От перекладины рамы и от нижних оконечностей ее боковин свободно свисает трос-кабель и натянуты привязные троса, что сообщаются соответственно с кабельной бухтой и двумя диаметральными ей соосными лебедками, установленными в известном порядке на поворачивающейся платформе причального узла.The essence of the invention lies in the fact that the wind-power block of the balloon-swimming module of the device is equipped with two orthogonal-bladed wind rotors, the horizontal axis of rotation of which is perpendicular to the direction of the wind, differently directed and symmetrically protrude beyond the limits of the H-shaped frame. The generator is installed in the middle of the frame on its horizontal crossbeam, the generator shaft protrudes from both of its ends and is coupled to the rotor axes coaxial with it. The frame is mounted on a ring pressed to the bottom of the balloon in the form of a gas-filled ball with meridian ribbons, it goes downward diametrically to the ring and in a plane perpendicular to the direction of the wind. In addition to the frame, brackets with planar weathercocks depart from the ring. From the crossbeam of the frame and from the lower extremities of its sidewalls, a cable cable hangs freely and tethered cables are pulled, which communicate respectively with a cable bay and two diametric coaxial winches installed in a known manner on a rotating platform of the mooring unit.

Целью изобретения является сохранение устойчивости и мощности генерации от восходящих воздушных потоков, достигаемой виндроторным двигателем с силовым блоком, поднятым аэростатно-плавательным модулем на высоту скоростных ветров.The aim of the invention is to maintain stability and power generation from ascending air currents, achieved by a wind turbine engine with a power unit raised by a balloon-swimming module to the height of high-speed winds.

Поставленная цель достигается тем, что аэростатная оболочка в форме газонаполненного шара объединена в одно целое с кольцом, имеющим плоскостные флюгера на кронштейнах и притянутым к днищу оболочки меридианными лентами, а также с Н-образной рамой, на перекладине которой установлен ветросиловой блок. Флюгерные кронштейны направлены от ветра и под прямым углом к свисающей вниз раме, их крепления к кольцу по месту их расположения совпадают. Генератор ветросилового блока находится по середине горизонтальной перекладины рамы, вал генератора выступает с его обоих торцов, через муфты соединен с соосными валу осями вращения ортогонально-лопастных виндроторов, одинаково раздвинутых за пределы рамы. Плоскость рамы, диаметрально свисающей с кольца, вместе с осями вращения виндроторов перпендикулярна направлению ветра благодаря привязки аэростатно-плавательного модуля гибкими связями к поворотной платформе наземного причального узла, которая отличается от известной схемы тем, что троса натянуты от нижних оконечностей боковин Н-образной рамы до двух соосных лебедок на упомянутой платформе, а трос-кабель свободно свисает от середины перекладины рамы до кабельной бухты на той же платформе.This goal is achieved by the fact that the balloon balloon in the form of a gas-filled ball is integrated into a whole with a ring having planar weathercocks on brackets and meridian ribbons drawn to the bottom of the shell, as well as with an H-shaped frame, on the crossbar of which a wind-power unit is installed. Weathervane brackets are directed away from the wind and at right angles to the frame hanging down, their fastenings to the ring at their location coincide. The generator of the wind-power block is located in the middle of the horizontal crossbeam of the frame, the shaft of the generator protrudes from its both ends, through the couplings it is connected to the axes of rotation of the orthogonal-vane windrotors equally spaced outside the frame. The plane of the frame, which hangs diametrically from the ring, together with the rotor axes of the windrotors is perpendicular to the wind direction due to the binding of the aerostat-swimming module by flexible connections to the rotary platform of the land mooring unit, which differs from the known scheme in that the cables are stretched from the lower extremities of the sidewalls of the H-shaped frame to two coaxial winches on the mentioned platform, and the cable-cable hangs freely from the middle of the crossbeam of the frame to the cable bay on the same platform.

На фиг. 1 показан общий вид виндроторного аэростатно-плавательного двигателя; на фиг. 2 - вид на аэростатно-плавательный модуль того же устройства с подветренной стороны.In FIG. 1 shows a general view of a rotor aerostatic swimming engine; in FIG. 2 is a view of the aerostat-swimming module of the same device from the leeward side.

Устройство состоит из аэростатно-плавательного модуля и причального узла, привязных тросов 1 и трос-кабеля 2. В свою очередь аэростатно-плавательный модуль включает в себя аэростатную оболочку 3 в форме газонаполненного шара, к днищу которой притянуто меридианными лентами 4 кольцо 5 с кронштейнами 6 и плоскостными флюгерами 7, в диаметральной и перпендикулярной направлению ветра плоскости кольца закреплена Н-образная рама 8. На середине горизонтальной перекладины рамы установлен генератор 9, к концам его вала, выступающим с обеих торцов генератора, через муфты 10 присоединены оси двух ортогонально-лопастных виндроторов 11, вращающихся в подшипниках 12, встроенных в боковины рамы, за пределы которой виндроторы выдвинуты одинаково. По середине перекладины рамы закреплен свисающий трос-кабель, а от нижних оконечностей рамных боковин натянуты привязные троса. Причальный узел устройства представляет из себя бетонную наземную тумбу 13 с поворотной платформой 14, где подветренно установлены две соосные лебедки 15 и диаметральная им кабельная бухта 16.The device consists of a balloon-swimming module and a mooring unit, tethered cables 1 and cable-cable 2. In turn, the balloon-swimming module includes a balloon 3 in the form of a gas-filled ball, 4 ring 5 with brackets 6 are drawn to the bottom of the meridian ribbons and planar weathercocks 7, in the diametric and perpendicular to the wind direction of the plane of the ring fixed H-shaped frame 8. In the middle of the horizontal crossbar of the frame mounted generator 9, to the ends of its shaft, protruding from both ends of the gene Rathore, 10 are connected through coupling of two orthogonal axes vindrotorov vane 11 rotating in bearings 12, embedded in the sidewall frame, beyond which vindrotory nominated same. A hanging cable is fixed in the middle of the crossbeam of the frame, and tethered cables are pulled from the lower extremities of the frame sides. The mooring unit of the device is a concrete ground curbstone 13 with a rotary platform 14, where two coaxial winches 15 and a cable bay 16 diametrical to them are lee.

Настоящий двигатель работает следующим образом. Аэростатная оболочка устройства заполняется легким газом в объеме, необходимом для придания оболочке законченной шаровидной формы и достижения подъемной силы, достаточной для отрыва от земли и пространственной устойчивости аэростатно-плавательного модуля на высоте скоростных ветров, натяжения привязных тросовых связей с причальным узлом. Троса и трос кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты. В процессе подъема модуля до необходимой высоты он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг места привязки, разворачивается через гибкие связи вместе с поворотной платформой причального узла и механизмами на ней. Ориентация модуля на ветер завершается после того, как горизонтальные оси вращения виндроторов становятся перпендикулярными направлению ветра. Скоростной напор ветра, в том числе при восходящем воздушном потоке, вращает ортогонально-лопастные виндроторы, механическая энергия подается в генератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направления ветра его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки и ветросиловой блок, аэростатно-плавательный модуль совместно с поворотной платформой разворачиваются снова до тех пор, пока направленность привязных тросов и трос кабеля не совпадут с новым направлением ветра, а горизонтальные оси вращения виндроторов не займут перпендикулярного положения к ветру.This engine works as follows. The aerostat shell of the device is filled with light gas in the volume necessary to give the shell a complete spherical shape and to achieve a lifting force sufficient to lift off the ground and the spatial stability of the aerostat-swimming module at the height of high-speed winds, the tension of the tethered cable ties with the berth unit. Rope and cable ropes synchronously bleed from the drums of winches and cable bay. In the process of lifting the module to the required height, it unfolds in an air flow along a circular path around the anchor point, unfolds through flexible connections with the rotary platform of the mooring unit and the mechanisms on it. The orientation of the module to the wind is completed after the horizontal axis of rotation of the windrotors become perpendicular to the direction of the wind. High-speed wind pressure, including with an upward air flow, rotates orthogonal-vane wind rotors, mechanical energy is supplied to the generator, where it is converted into electrical energy sent through a cable through a controller, a battery and an inverter to consumers. When the wind direction changes, its pressure acts on the windward side surface of the aerostat shell and the wind power unit, the aerostat-swimming module together with the rotary platform are deployed again until the direction of the tethered cables and the cable cable coincide with the new wind direction, and the horizontal axis of rotation of the windrotors Do not occupy a perpendicular position to the wind.

В турбулентных условиях велика вероятность ситуации, когда ветровые нагрузки на ортогонально-лопастные виндроторы будут различны по величине, при которой может возникнуть крутящий момент, создающий вращение аэростатно-плавательного модуля и скрещивание его привязных тросовых связей. Это явление нейтрализуется наличием плоскостных флюгеров, парусность которых надежно поддерживает оптимальную ориентацию на ветер силового блока в предлагаемом устройстве.Under turbulent conditions, there is a high probability of a situation when the wind loads on orthogonal-vane wind rotors will be different in magnitude, at which a torque can occur, which creates the rotation of the aerostat-swimming module and the crossing of its tethered cable ties. This phenomenon is neutralized by the presence of plane weathercocks, the windage of which reliably supports the optimal orientation of the power unit in the wind in the proposed device.

Выбор для аэростатной оболочки шаровидной формы обусловлен восходящим характером воздушных потоков, при котором оболочки горизонтально-вытянутой конфигурации оказывают дестабилизирующее влияние на устойчивость аэростатно-плавательного модуля в атмосфере. Корма таких оболочек задирается вверх, привязные троса провисают, модуль теряет устойчивость пространственной ориентации, ветросиловые блоки могут занимать положения под нежелательными углами относительно направленности ветра.The choice for a balloon-shaped shell of a spherical shape is due to the ascending nature of the air flows, in which the shells of a horizontally elongated configuration have a destabilizing effect on the stability of the balloon-swimming module in the atmosphere. The feed of such shells is pulled up, the safety ropes sag, the module loses its spatial orientation, wind-powered blocks can occupy positions at undesirable angles relative to the direction of the wind.

При преобразовании ветра в восходящий атмосферный поток не происходит утраты мощности и устойчивой генерации электроэнергии, поскольку ветросиловой блок аэростатно-плавательного модуля оснащен ортогонально-лопастными виндроторами, горизонтальная ось вращения которых неизменно перпендикулярна любой направленности ветра. Модуль сбалансирован симметричностью установки плоскостных флюгеров, положением генератора посередине горизонтальной перекладины Н-образной рамы, одинаковостью выноса за пределы рамы, идентичностью крыловидного профиля ортогональных лопастей, габаритов и масс обеих виндроторов.When converting wind to an upward atmospheric flow, there is no loss of power and stable generation of electricity, since the wind-power unit of the balloon-swimming module is equipped with orthogonal-blade wind rotors, the horizontal axis of rotation of which is invariably perpendicular to any direction of the wind. The module is balanced by the symmetry of the installation of planar weathercocks, the position of the generator in the middle of the horizontal crossbar of the H-shaped frame, the uniformity of the extension outside the frame, the identity of the wing-shaped profile of the orthogonal blades, dimensions and masses of both windrotors.

Claims

A wind-driven balloon-swimming engine containing a balloon-swimming module consisting of an aerostat shell, a wind-driven block, including a generator and orthogonal-bladed wind rotors, cables, a cable-cable, and a mooring unit, on the rotary platform of which two coaxial winches and a diametrical cable are installed leeward a bay, while to the bottom of the balloon in the form of a gas-filled ball with the help of meridian tapes is pressed a ring with planar weathercocks on brackets, diametrical and perpendicular An H-shaped frame is fixed to the wind of the plane of the ring, while the brackets with plane weathercocks are extended at right angles from the frame sides to the leeward side, while a generator is installed in the middle of the horizontal crossbeam of the frame, the horizontal shaft of which protrudes from both ends of the generator and is paired with orthogonal-vane wind rotors equally spaced outside the frame and rotating in bearings embedded in the frame sidewalls, while the cable-cable is fixed in the middle of the horizontal beam s frame, ropes are stretched down to winches on the sidewalls of the lower extremities of the H-shaped frame.