RU2638120C1 - Wind turbine plant - Google Patents

Wind turbine plant Download PDF

Info

Publication number
RU2638120C1
RU2638120C1 RU2016143777A RU2016143777A RU2638120C1 RU 2638120 C1 RU2638120 C1 RU 2638120C1 RU 2016143777 A RU2016143777 A RU 2016143777A RU 2016143777 A RU2016143777 A RU 2016143777A RU 2638120 C1 RU2638120 C1 RU 2638120C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
wind
blades
scoop
housing
Prior art date
Application number
RU2016143777A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Белозеров
Original Assignee
Сергей Николаевич Белозеров
Белозеров Артем Сергеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Николаевич Белозеров, Белозеров Артем Сергеевич filed Critical Сергей Николаевич Белозеров
Priority to RU2016143777A priority Critical patent/RU2638120C1/en
Priority to DE112017004377.8T priority patent/DE112017004377B4/en
Priority to PCT/RU2017/000137 priority patent/WO2018088929A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2638120C1 publication Critical patent/RU2638120C1/en

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
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • 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 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/133—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines with a convergent-divergent guiding structure, e.g. a Venturi conduit
    • 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)
  • 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)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

FIELD: machine engineering.
SUBSTANCE: wind turbine plant has a rotor mounted in the housing made in the form of a centrifugal impeller with blades, and a wind trap comprising vertically oriented blades bent towards the wind flow and displaced relative to each other with successive overlap with formation of vertical air duct therebetween. The rotor is mounted on the wind trap and configured in communication with it. The rotor housing has outlet branch pipes, one end of each branch pipe communicates with inner part of the rotor housing, and the free end is directed into the air duct of the wind trap. The blades of the wind trap are provided with stiffening ribs arranged at an angle to the horizontal plane with inclination towards the wind flow on the inner and outer sides of the blades. The rotor blades are fixed on the centrifugal impeller from the inner surface of the housing and directed along the chords of the rotor housing.
EFFECT: increased performance and efficiency of the plant for any duration, speed and direction of the wind.
5 dwg

Description

Изобретение относится к ветряным двигателям, в частности к ветротурбинным установкам, которые могут быть использованы в качестве автономного источника энергии, позволяющего получить экологически чистое, безопасное и надежное электроснабжение.The invention relates to wind engines, in particular to wind turbines, which can be used as an autonomous energy source, which allows to obtain environmentally friendly, safe and reliable power supply.

Известна ветротурбинная установка из патента RU 2286477, содержащая ротор, размещенный внутри корпуса с возможностью вращения в нем. Ротор состоит из вала, на котором установлены вертикально по окружности на заданном расстоянии от центра турбинные лопатки радиального типа, которые соединяются с валом посредством кронштейнов. Корпус неподвижен, выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопаток, которые установлены под острым углом к внешней кромке турбинных лопаток радиального типа, которые образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Нижняя часть ротора выполнена в виде осевой турбины. На валу установлены рабочие лопатки осевого типа, которые предназначены для работы в потоке воздуха, выходящем из направляющих лопаток. Дополнительные направляющие лопатки установлены в нижней части корпуса и расположены радиально внутри обечайки. Нижний конец ротора оперт на обтекатель, который жестко скреплен с концами лопаток направляющего аппарата. Верхняя часть обечайки скреплена с корпусом, а нижняя - оперта на верхнюю часть полого корпуса, на котором установлен конфузор. В нижней части полого корпуса выполнены воздухоподводящие окна.Known wind turbine installation from patent RU 2286477, containing a rotor located inside the housing with the possibility of rotation in it. The rotor consists of a shaft on which turbine blades of a radial type are mounted vertically around a circle at a predetermined distance from the center, which are connected to the shaft by means of brackets. The housing is stationary, made in the form of a guide apparatus, consisting of vertically arranged guide vanes, which are installed at an acute angle to the outer edge of the radial type turbine blades, which form external wind flow channels located tangentially to the inner circumference of the installation. The lower part of the rotor is made in the form of an axial turbine. Axial-type working blades are installed on the shaft, which are designed to work in the air stream leaving the guide vanes. Additional guide vanes are installed in the lower part of the body and are located radially inside the shell. The lower end of the rotor is supported by a fairing, which is rigidly bonded to the ends of the vanes of the guide vane. The upper part of the shell is fastened to the body, and the lower part is supported on the upper part of the hollow body on which the confuser is mounted. In the lower part of the hollow body air-supply windows are made.

Известна также ветротурбинная установка из патента RU 2488019, содержащая статор с верхним и нижним основаниями, соединенными между собой вертикальными направляющими лопастями, ориентированными внутрь. В статоре размещен ротор, снабженный продольными лопатками. Ротор выполнен в виде полого сужающегося вверх конуса. Лопатки ротора установлены на его наружной поверхности и ориентированы под углом к оси симметрии ротора. Во внутренней полости ротора установлены пластинчатые крестовины, соединяющие ротор с верхней и нижней полуосями вращения. Нижнее основание статора выполнено с обеспечением возможности поступления воздуха внутрь ротора. Верхнее основание статора имеет коническую часть, направленную и сужающуюся в сторону нижнего основания, и имеет осевое отверстие, диаметр которого больше, чем верхний диаметр конуса ротора, с образованием кольцевого зазора между ними. На верхней полуоси ротора, выходящей внутрь конической части верхнего основания статора, установлена дополнительная крыльчатка. Нижняя полуось ротора установлена на нижнем основании статора. Верхняя полуось соединена с верхним основанием при помощи радиальных ребер, установленных внутри конической части верхнего основания.Also known is a wind turbine installation from patent RU 2488019, containing a stator with upper and lower bases, interconnected by vertical guide vanes oriented inward. A rotor is provided in the stator, equipped with longitudinal blades. The rotor is made in the form of a hollow tapering up cone. The rotor blades are mounted on its outer surface and are oriented at an angle to the axis of symmetry of the rotor. In the inner cavity of the rotor, plate crosses are installed connecting the rotor with the upper and lower semi-axes of rotation. The lower base of the stator is configured to allow air to enter the rotor. The upper base of the stator has a conical part directed and tapering towards the lower base, and has an axial hole whose diameter is larger than the upper diameter of the rotor cone, with the formation of an annular gap between them. An additional impeller is installed on the upper semi-axis of the rotor, which extends into the conical part of the upper base of the stator. The lower axis of the rotor is mounted on the lower base of the stator. The upper axis is connected to the upper base by means of radial ribs mounted inside the conical part of the upper base.

Однако такие установки обладают недостаточной эффективностью, поскольку не обеспечивают повторного использования остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.However, such installations are not efficient enough because they do not provide for the reuse of residual energy from the wind flow coming out of the wind turbine.

Наиболее близким аналогом является роторная ветроустановка из патентного документа KZ 24451, содержащая многоячеистый ветроуловитель с улиткообразными каналами приема ветра с недвижимыми вертикальными лопатками, ротор с четырехугольными лопастями, расположенными под углом к направлению ветра, закрепленными в конструкции ротора снизу и сверху. Ветер, попадая в улиткообразные камеры, образующиеся лопатками, расположенными вертикально под углом к направлению ветра, верхней крышей и нижним полом ветроуловителя, проходит через открытую половину ветроуловителя к лопастям рабочей стороны ветроколеса (ротора), которые расположены под определенным углом атаки к направлению ветра, ротор начинает вращаться вокруг своей оси, посредством рамы ротора, находящейся внутри юртообразного стального корпуса, который, в свою очередь, находится внутри улиткообразного воздухозаборника. На лопастях ротора установлены бортики с изогнутыми концами вверх, которые создают дополнительное сопротивление ветру, направляют воздух вверх к разрежителю для выброса через него в атмосферу. На входе каналов воздухозаборника предусмотрены жалюзи - предохранители, осуществляющие защиту конструкции от неблагоприятных погодных условиях природы (ураганы, вихри и т.п.).The closest analogue is the rotor wind turbine from patent document KZ 24451, which contains a multi-cell scoop with cochle-shaped wind receiving channels with immovable vertical blades, a rotor with quadrangular blades located at an angle to the wind direction, fixed in the rotor structure from above and below. The wind, falling into the cochlear chambers formed by the blades located vertically at an angle to the direction of the wind, the upper roof and the lower floor of the scoop, passes through the open half of the scoop to the blades of the working side of the wind wheel (rotor), which are located at a certain angle of attack to the direction of the wind, rotor begins to rotate around its axis, through the frame of the rotor located inside the yurt-shaped steel body, which, in turn, is located inside the cochlea-shaped air intake. On the rotor blades there are bumpers with curved ends up, which create additional resistance to the wind, direct air up to the rarefaction to discharge through it into the atmosphere. At the inlet of the air intake channels, blinds are provided - fuses that protect the structure from adverse weather conditions of nature (hurricanes, whirlwinds, etc.).

Ротор в такой конструкции установлен таким образом, что ось его вращения перпендикулярна входящему воздушному потоку. При такой конструкции для оптимальной работы установки размеры ротора должны быть сопоставимыми с размерами ветроуловителя, что при значительных размерах ветроустановки приводит к неработоспособности установки при сильных порывах ветра, что подтверждается наличием жалюзи, которые установлены для остановки работы устройства при сильном ветре.The rotor in this design is installed in such a way that its axis of rotation is perpendicular to the incoming air stream. With this design, for optimal installation operation, the rotor size should be comparable to the size of the scoop, which, with a significant size of the wind turbine, leads to inoperability of the installation with strong gusts of wind, which is confirmed by the presence of shutters that are installed to stop the operation of the device in strong winds.

Данная конструкция обладает низкой эффективностью при сильных порывах ветра в связи со сложностью балансировки ротора при таких размерах, что приводит к возникновению вибрации на больших скоростях вращения ротора и его последующему разрушению под действием центробежных сил. Кроме того, эффективность такой установки при ее эксплуатации является низкой из-за того, что конструкция не обеспечивает повторное использование остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.This design has low efficiency with strong gusts of wind due to the difficulty of balancing the rotor at such dimensions, which leads to vibration at high speeds of rotation of the rotor and its subsequent destruction under the action of centrifugal forces. In addition, the efficiency of such an installation during its operation is low due to the fact that the design does not provide for the reuse of residual energy coming from the wind turbine wind flow.

Ветроуловитель ветроустановки, известной из наиболее близкого аналога, выполнен с плоской прямолинейной поверхностью, что не является аэродинамичным, так как в случае возникновения ветропорыва, не параллельного плоскости ветроуловителя, он не будет отражаться в сторону ветроколеса, что так же приводит к снижению эффективности установки. При эксплуатации установки ветропоток, поступающий на ротор, взаимодействует только с частью его верхней поверхности, что не обеспечивает высокую эффективность работы установки.The scoop of a wind turbine, known from the closest analogue, is made with a flat, rectilinear surface, which is not aerodynamic, since in the event of a wind break, not parallel to the plane of the scoop, it will not be reflected in the direction of the wind turbine, which also reduces the efficiency of the installation. During operation of the installation, the wind flow entering the rotor interacts only with part of its upper surface, which does not ensure high efficiency of the installation.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является недостаточная эффективность известных ветротурбинных установок.The technical problem to which the invention is directed is the insufficient efficiency of known wind turbine plants.

Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности установки при любых продолжительности, скорости и направлении ветра.The technical result of the claimed solution is to increase the efficiency of the installation for any duration, speed and direction of the wind.

Технический результат достигается за счет того, что ветротурбинная установка содержит установленный в корпусе ротор, выполненный в виде центробежной крыльчатки с лопатками, и ветроуловитель, содержащий вертикально ориентированные изогнутые в сторону ветропотока лопасти, смещенные относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, причем ротор установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним, корпус ротора содержит выходные патрубки, один конец каждого из которых сообщается с внутренней частью корпуса ротора, а свободный конец направлен в воздуховод ветроуловителя, на лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока на внутренних и внешних сторонах лопастей, лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора.The technical result is achieved due to the fact that the wind turbine installation includes a rotor installed in the casing, made in the form of a centrifugal impeller with blades, and a scoop containing vertically oriented blades curved towards the wind flow, displaced relative to each other with successive overlapping of each other with the formation of a vertical the duct, the rotor mounted on a scoop and made communicating with it, the rotor housing contains outlet pipes, one end of each of which communicates with the inner part of the rotor casing, and the free end is directed into the scoop duct, stiffeners are made on the scoop blades, located at an angle to the horizontal plane with a slope towards the wind flow on the inner and outer sides of the blades, the rotor blades are mounted on the centrifugal impeller from the inside the surface of the housing and directed along the chords of the rotor housing.

За счет выполнения вертикально ориентированных лопастей ветроуловителя изогнутыми в сторону ветропотока и установки их со смещением относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием вертикального воздуховода при работе установки обеспечивается закручивание поступающего в ветроуловитель ветропотока - эффект торнадо. За счет размещения ротора на ветроуловителе и выполнения корпуса ротора закрытым и сообщающимся с воздуховодом ветроуловителя обеспечивается дальнейшее поступление ветропотока на лопатки внутренней поверхности ротора. При этом ветропоток взаимодействует со всей верхней внутренней поверхностью ротора, что повышает эффективность работы установки. За счет наличия с внешней стороны корпуса ротора выходных патрубков, одни из концов которых сообщаются с внутренней частью ротора, а свободные концы направлены в воздуховод ветроуловителя, обеспечивается отвод поступающего в ротор воздушного потока обратно в ветроуловитель, что приводит к повторному использованию остаточной энергии выходящего из установки ветропотока и, соответственно, к повышению эффективности работы установки при любой продолжительности и скорости ветра.Due to the vertically oriented scoop blades curved towards the wind flow and installing them with offset relative to each other with successive overlapping of each other with the formation of a vertical duct during installation, the wind flow coming into the scoop is twisted - the tornado effect. Due to the placement of the rotor on the scoop and the execution of the rotor casing closed and connected to the scoop duct, a further flow of wind to the blades of the inner surface of the rotor is ensured. In this case, the wind flow interacts with the entire upper inner surface of the rotor, which increases the efficiency of the installation. Due to the presence of outlet pipes on the outer side of the rotor casing, one of whose ends communicate with the inner part of the rotor, and the free ends are directed into the scoop duct, the air flow entering the rotor is diverted back to the scoop, which leads to the reuse of the residual energy leaving the unit wind flow and, accordingly, to increase the efficiency of the installation at any duration and wind speed.

Выходящий поток воздуха в предлагаемой установке без отрицательного взаимодействия с обдуваемым установку ветром не выбрасывается вверх с остаточным потенциалом, а поступает через выходные патрубки в воздуховод ветроуловителя для повторного использования, повышая эффективность. Таким образом, энергия ветропотока максимально используется для вращения лопаток ротора даже при минимальных размерах ротора относительно ветроуловителя.The outgoing air flow in the proposed installation without negative interaction with the blown installation of the wind is not thrown up with residual potential, but enters through the outlet pipes into the scoop duct for reuse, increasing efficiency. Thus, the energy of the wind flow is used to the maximum for rotation of the rotor blades even with the minimum size of the rotor relative to the scoop.

В заявляемой конструкции ветротурбинной установки корпус ротора с центробежной крыльчаткой и выходными патрубками аналогичен конструкции центробежного вентилятора обратного действия, в которой центробежная крыльчатка приводится во вращение не электродвигателем, а восходящим крутящимся ветропотоком. Вал центробежной крыльчатки является валом ротора, соединенным с генератором. Так как скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, прямо пропорциональна соотношению площади сечения ветропотока, входящего в ветроуловитель по всей его высоте, к площади сечения вертикального воздуховода, то скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, на порядок больше скорости ветропотока, входящего в ветроуловитель. Лопасти, соединенные ребрами жесткости, выполненные внахлест и образующие вертикально ориентированный воздуховод, в совокупности выполняют функцию редуктора перед генератором вместо типового редуктора, соединяющего ротор с генератором, как в наиболее близком аналоге.In the inventive design of a wind turbine installation, the rotor casing with a centrifugal impeller and outlet pipes is similar to the design of a centrifugal fan with a reverse action, in which the centrifugal impeller is driven not by an electric motor, but by an ascending rotating wind flow. The centrifugal impeller shaft is a rotor shaft connected to a generator. Since the speed of the wind flow acting on the centrifugal impeller is directly proportional to the ratio of the cross-sectional area of the wind flow entering the scoop along its entire height to the cross-sectional area of the vertical duct, the speed of the wind flow acting on the centrifugal impeller is an order of magnitude higher than the speed of the wind flow entering the scoop. The blades connected by stiffeners, overlapped and forming a vertically oriented duct, collectively perform the function of a reducer in front of the generator instead of a typical reducer connecting the rotor to the generator, as in the closest analogue.

Отсутствие необходимости выполнения ротора по всей высоте установки упрощает конструкцию ветротурбинной установки, повышает ее надежность и работоспособность при любом ветре вследствие минимальных размеров отбалансированной в заводских условиях центробежной крыльчатки относительно габаритов ветротурбинной установки в целом. Производительность ветротурбинной установки определяется соотношением высоты ветроуловителей и диаметром вертикального воздуховода. Так как минимизация диаметра ограничена возникающими силами трения воздушного потока, размах ветроуловителя может быть ограничен отсутствием свободной площади.The absence of the need to run the rotor along the entire installation height simplifies the design of the wind turbine installation, increases its reliability and operability in any wind due to the minimum dimensions of the centrifugal impeller balanced in the factory, relative to the dimensions of the wind turbine installation as a whole. The performance of a wind turbine installation is determined by the ratio of the height of the scoops and the diameter of the vertical duct. Since minimization of the diameter is limited by the arising friction forces of the air flow, the span of the scoop can be limited by the lack of free area.

Основной путь повышения производительности - увеличение высоты ветротурбинной установки с сохранением устойчивости и прочности конструкции, что обеспечивается продолжительностью нахлеста лопастей друг на друга и величиной длин сопряжения ребер жесткости с лопастями.The main way to increase productivity is to increase the height of the wind turbine installation while maintaining stability and structural strength, which is ensured by the duration of the overlap of the blades on each other and the length of the pair of stiffeners with the blades.

В отличие от наиболее близкого аналога, в котором скорость ветропотока трансформируется в скорость вращения генератора посредством ротора, имеющего высоту, равную высоте ветроустановки, кинематической цепочки с зубчатыми передачами, повышающими скорость вращения генератора и усложняющими конструкцию, в заявляемой конструкции ветротурбинной установки ротор генератора напрямую соединен с ротором ветротурбинной установки в виде центробежной крыльчатки, размеры которой минимальны относительно корпуса ветротурбинной установки без промежуточной кинематической схемы передачи вращения. Благодаря заявляемой конструкции, повышающей на порядок скорость ветропотока, взаимодействующего с центробежной крыльчаткой по отношению к скорости ветра, обдувающего ветротурбинную установку, обеспечивается работоспособность последней при малом ветре в том числе посредством возврата отработанного ветропотока обратно в ветротурбинную установку.In contrast to the closest analogue, in which the wind speed is transformed into the rotation speed of the generator by means of a rotor having a height equal to the height of the wind turbine, a kinematic chain with gears that increase the rotation speed of the generator and complicate the design, in the inventive design of the wind turbine installation, the generator rotor is directly connected to the rotor of a wind turbine installation in the form of a centrifugal impeller, the dimensions of which are minimal relative to the casing of a wind turbine installation without an intermediate kinematic rotation transmission scheme. Thanks to the inventive design, which increases the speed of the wind flow by an order of magnitude, interacting with the centrifugal impeller with respect to the wind speed, blowing the wind turbine installation, the latter is operable in low winds, including by returning the spent wind flow back to the wind turbine installation.

Минимизация размеров и массы ротора с лопатками, выполненного в виде центробежной крыльчатки, ограниченная только силой трения ветропотока в узком вертикальном воздуховоде, обеспечивает работоспособность ветротурбинной установки при любом ветре, т.к. позволяет исключить возникновение разрушающей центробежной силы, пропорциональной массе и квадрату радиуса вращения.Minimizing the size and mass of the rotor with blades, made in the form of a centrifugal impeller, limited only by the friction force of the wind flow in a narrow vertical duct, ensures the operability of the wind turbine installation in any wind, because eliminates the occurrence of a destructive centrifugal force proportional to the mass and square of the radius of rotation.

Частный случай реализации изобретения поясняется с помощью фиг. 1-5, на которых изображено:A particular embodiment of the invention is illustrated using FIG. 1-5, which depict:

на фиг. 1 - общий вид ветротурбинной установки;in FIG. 1 - general view of a wind turbine installation;

на фиг. 2 - вертикальный разрез ветротурбинной установки;in FIG. 2 - vertical section of a wind turbine installation;

на фиг. 3 - разрез А-А ветротурбинной установки;in FIG. 3 - section AA of a wind turbine installation;

на фиг. 4 - сечение Б-Б ветротурбинной установки;in FIG. 4 - section BB of the wind turbine installation;

на фиг. 5 - вид Г ветротурбинной установки.in FIG. 5 is a view G of a wind turbine installation.

На фиг. 1-5 позициями 1-6 обозначены:In FIG. 1-5 positions 1-6 are indicated:

1 - ротор;1 - rotor;

2 - корпус;2 - case;

3 - выходной патрубок;3 - outlet pipe;

4 - лопасть;4 - blade;

5 - ребро жесткости;5 - stiffener;

6 - лопатка.6 - scapula.

В частном случае выполнения ветротурбинная установка с вертикальной осью вращения содержит ротор 1, выполненный в виде центробежной крыльчатки, расположенной в корпусе 2, снабженный по касательной к его окружности выходными патрубками 3 и установленный на ветроуловителе. Лопатки 6 центробежной крыльчатки ориентированы по хордам корпуса 2 ротора 1 в горизонтальной плоскости под углом к его радиусам, выполнены с возможностью их вращения относительно вертикальной оси. Ветроуловитель представляет из себя вертикальные лопасти 4, установленные внахлест с образованием единого вертикального щелевого воздуховода с ребрами жесткости 5, расположенными под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока на внутренних и внешних сторонах лопастей 4. Выходные патрубки 3, выполненные по касательным корпуса 2 ротора 1, выведены в сторону ветроуловителя. Лопатки 6 центробежной крыльчатки продлены к оси вращения центробежной крыльчатки с плавным изменением от вертикали ее поверхности до прямого угла к продолжению траектории расположения ребер жесткости 5 ветроуловителя.In the particular case of a wind turbine installation with a vertical axis of rotation, it contains a rotor 1 made in the form of a centrifugal impeller located in the housing 2, provided with outlet pipes 3 tangential to its circumference and mounted on a scoop. The blades 6 of the centrifugal impeller are oriented along the chords of the housing 2 of the rotor 1 in a horizontal plane at an angle to its radii, made with the possibility of their rotation relative to the vertical axis. The scoop consists of vertical blades 4, overlapped with the formation of a single vertical slotted duct with stiffeners 5, located at an angle to the horizontal plane with a slope towards the wind flow on the inner and outer sides of the blades 4. Outlets 3 made along the tangent of the rotor housing 2 1, displayed in the direction of the scoop. The blades 6 of the centrifugal impeller are extended to the axis of rotation of the centrifugal impeller with a smooth change from the vertical of its surface to the right angle to continue the trajectory of the stiffening ribs 5 of the scoop.

Аналогом соотношения размеров габаритов ветротурбинной установки визуально могут служить соотношения размеров дымовых труб: диаметр к высоте.The ratio of the dimensions of the chimneys: diameter to height can visually serve as an analogue of the ratio of the dimensions of the dimensions of a wind turbine installation.

Примером ветротурбинной установки для индивидуального использования может служить конструкция высотой примерно 10 м, диаметром центральной части воздуховода 0,4 м с максимальным размахом ветроуловителя 1,5 м с шестью лопастями 4 и шестью выходными патрубками 3 с максимальным просветом сечения для входящего ветропотока в ветроуловитель 0,5 м по всей его высоте и скоростью ветра 1 м/с на входе в ветроуловитель.An example of a wind turbine installation for individual use is a structure with a height of about 10 m, a diameter of the central part of the duct 0.4 m with a maximum scoop span of 1.5 m with six blades 4 and six outlet pipes 3 with a maximum clearance for the incoming wind flow into the scoop 0, 5 m over its entire height and a wind speed of 1 m / s at the entrance to the scoop.

В этом случае ориентировочная скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, вычисляется следующим образом:In this case, the estimated speed of the wind flow acting on the centrifugal impeller is calculated as follows:

V=1 м/с⋅(0,5 м⋅10 м)÷(3,14⋅0,4 м⋅0,4 м÷4)=5÷0,1256 м/с≈40 м/с.V = 1 m / s⋅ (0.5 m⋅10 m) ÷ (3.14⋅0.4 m⋅0.4 m ÷ 4) = 5 ÷ 0.1256 m / s≈40 m / s.

С учетом потерь на трение и изменение траектории ветропотока в ветротурбинной установке его скорость воздействия на центробежную крыльчатку на порядок выше скорости на входе в ветроуловитель.Taking into account friction losses and changing the trajectory of the wind flow in a wind turbine installation, its speed of action on the centrifugal impeller is an order of magnitude higher than the speed at the entrance to the scoop.

В заявляемой ветротурбинной установке изогнутые плоскости лопастей 4 могут быть выполнены в виде решетчатых каркасов из труб прямоугольного сечения, обшитых с обеих сторон светопрозрачными материалами, например на основе поликарбоната, с целью усиления тяги в вертикальном воздуховоде, существующей из-за разности давления по высоте благодаря прогреву воздуха при солнечной погоде. Такое исполнение при непрерывном повторном направлении отработанного воздушного потока в пазухи ветроуловителя, образованные лопастями 4, способствует непрерывному накоплению энергии возникшего ветропотока в ветротурбинной установке, что также способствует повышению эффективности при маловетренной погоде.In the inventive wind turbine installation, the curved planes of the blades 4 can be made in the form of lattice frames of rectangular pipes, sheathed on both sides with translucent materials, for example, based on polycarbonate, in order to enhance traction in the vertical duct, due to the pressure difference in height due to heating air in sunny weather. This design with continuous re-direction of the exhaust air flow into the sinuses of the scoop, formed by the blades 4, contributes to the continuous accumulation of energy of the resulting wind flow in a wind turbine installation, which also contributes to increased efficiency in low-wind weather.

С целью повышения эффективности возможна установка гибких солнечных батарей на внутреннюю вогнутую поверхность лопастей 4.In order to increase efficiency, it is possible to install flexible solar panels on the inner concave surface of the blades 4.

Ребра жесткости 5 по длине выгнуты вверх таким образом, что угол их наклона в сторону ветра стремится к нулевому значению к горизонтали, а угол наклона α конца ребра в месте сопряжения с вертикальным воздуховодом определяется в интервале 60° ≤ α ≤ 90° к горизонтали с целью закручивания ветропотока в вертикальном воздуховоде. Ребра жесткости 5 выполнены из листового металла с отбортовкой по длине с обеих сторон и собраны с соседними посредством резьбовых соединений сквозь отбортовки и каркас лопастей 4, образуя из последних жесткую конструкцию, зафиксированную вверху ветротурбинной установки общим фланцем неподвижного корпуса 2 центробежной крыльчатки, а низ лопастей 4 неподвижно зафиксирован к бетонному фундаменту анкерными болтами.The stiffening ribs 5 are curved along the length in such a way that the angle of their inclination towards the wind tends to zero to the horizontal, and the angle of inclination α of the end of the rib at the interface with the vertical duct is determined in the range of 60 ° ≤ α ≤ 90 ° to the horizontal with the aim twisting the wind flow in a vertical duct. The stiffening ribs 5 are made of sheet metal with a flanging along the length on both sides and are assembled with neighboring ones by threaded connections through the flanges and the frame of the blades 4, forming from the latter a rigid structure fixed at the top of the wind turbine unit with a common flange of the fixed body 2 of the centrifugal impeller, and the bottom of the blades 4 fixed to the concrete foundation with anchor bolts.

Верхний угол выступающей части лопатки 6 в сторону оси вращения загнут по ее диагонали к продолжению траектории установки ребер жесткости 5.The upper corner of the protruding part of the blade 6 in the direction of the axis of rotation is bent along its diagonal to continue the trajectory of the installation of stiffeners 5.

Количество лопастей 4 ограничено только площадью места установки ветротурбинной установки вследствие необходимости увеличения диаметра вертикального воздуховода и радиуса размаха ветроуловителя с целью сохранения просвета между лопастями 4 для прохождения ветропотока.The number of blades 4 is limited only by the area of the installation site of the wind turbine installation due to the need to increase the diameter of the vertical duct and the radius of the span of the scoop in order to maintain clearance between the blades 4 for the passage of the wind flow.

Количество выходных патрубков 3 соответствует количеству лопастей 4 или меньше в кратное число раз.The number of outlet pipes 3 corresponds to the number of blades 4 or less by a multiple of times.

В частном случае реализации лопатки 6 ротора 1 могут быть закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса 2 по хордам корпуса 2 ротора 1 в горизонтальной плоскости.In the particular case of the implementation of the blades 6 of the rotor 1 can be mounted on a centrifugal impeller from the side of the inner surface of the housing 2 along the chords of the housing 2 of the rotor 1 in a horizontal plane.

Каждая лопасть 4 ветроуловителя установлена неподвижно и может представлять собой часть боковой поверхности цилиндра с переменным радиусом вальцевания, например полуцилиндр, сегмент 1/3 цилиндра или сегмент 1/4 цилиндра.Each scoop blade 4 is fixedly mounted and can be a part of the side surface of a cylinder with a variable rolling radius, for example, a half cylinder, a 1/3 segment of a cylinder, or a segment of a 1/4 cylinder.

Лопасти 4 выполнены обтекаемой аэродинамической формы и установлены на равном расстоянии друг от друга. На лопастях 4 ветроуловителя могут быть выполнены ребра жесткости 5, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока. Ребра жесткости 5 могут быть выполнены на внутренних и/или на внешних сторонах лопастей 1, что дополнительно повышает жесткость и аэродинамику устройства, повышая эффективность работы установки. Лопатки 6 центробежной крыльчатки могут быть продлены к оси ее вращения с плавным изменением от вертикали ее поверхности до прямого угла, к продолжению траектории расположения ребер жесткости 5.The blades 4 are made streamlined aerodynamic shape and are installed at an equal distance from each other. On the blades 4 of the scoop, stiffeners 5 can be made located at an angle to the horizontal plane with a slope towards the wind flow. The stiffening ribs 5 can be performed on the inner and / or on the outer sides of the blades 1, which further increases the rigidity and aerodynamics of the device, increasing the efficiency of the installation. The blades 6 of the centrifugal impeller can be extended to the axis of its rotation with a smooth change from the vertical of its surface to a right angle, to continue the trajectory of the stiffeners 5.

Корпус 2 ротора 1 содержит стенки и верхнюю крышку, предотвращающие отрицательное взаимодействие обдуваемого ветра и потерю энергетического потенциала ветра. Нижняя часть корпуса 1 выполнена открытой, чтобы корпус 1 сообщался с воздуховодом.The housing 2 of the rotor 1 contains a wall and a top cover to prevent negative interaction of the blown wind and the loss of wind energy potential. The lower part of the housing 1 is made open so that the housing 1 is in communication with the duct.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При попадании порыва ветра на ветроуловитель с наклонными ребрами жесткости 5 образуется восходящий поток воздуха, проходящий по закрученной траектории вертикального воздуховода на лопатки 6 центробежной крыльчатки ротора 1, расположенные под углом к направлению ветропотока. На вертикальные участки лопаток 6 действует избыточное давление восходящего потока воздуха, что приводит к их вращению относительно вертикальной оси ротора 1. Далее поток воздуха поступает в выходные патрубки 3, проходя через которые, поступает обратно в ветроуловитель без торможения от встречного ветра.When a gust of wind hits a scoop with inclined stiffeners 5, an upward flow of air is formed, passing along the swirling path of the vertical duct to the blades 6 of the centrifugal impeller of the rotor 1, which are located at an angle to the direction of the wind flow. The vertical sections of the blades 6 are affected by overpressure of the upward air flow, which leads to their rotation relative to the vertical axis of the rotor 1. Next, the air flow enters the outlet pipes 3, passing through which it enters the scoop without braking from the headwind.

Предлагаемая конструкция ветротурбинной установки является работоспособной и энергоэффективной при любых продолжительности и скорости ветра, обеспечивает существенное снижение затрат на электричество при ее использовании.The proposed design of a wind turbine installation is efficient and energy efficient for any duration and speed of the wind, provides a significant reduction in electricity costs when using it.

Принцип действия заявляемой ветротурбинной установки может быть использован для выделения влаги из воздуха - причины падения давления и температуры при ускоренном перемещении воздуха внутри вертикального воздуховода, а также для охлаждения горячей воды в градирнях.The principle of operation of the inventive wind turbine installation can be used to release moisture from the air - the causes of pressure and temperature drops during accelerated movement of air inside a vertical duct, as well as for cooling hot water in cooling towers.

Claims (1)

Ветротурбинная установка, характеризующаяся тем, что содержит установленный в корпусе ротор, выполненный в виде центробежной крыльчатки с лопатками, и ветроуловитель, содержащий вертикально ориентированные изогнутые в сторону ветропотока лопасти, смещенные относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, причем ротор установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним, корпус ротора содержит выходные патрубки, один конец каждого из которых сообщается с внутренней частью корпуса ротора, а свободный конец направлен в воздуховод ветроуловителя, на лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока на внутренних и внешних сторонах лопастей, лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора.A wind turbine installation, characterized in that it comprises a rotor installed in the housing, made in the form of a centrifugal impeller with blades, and a scoop containing vertically oriented blades curved towards the wind flow, displaced relative to each other with sequential overlapping of each other with the formation of a vertical duct between them, the rotor is mounted on a scoop and made communicating with it, the rotor housing contains outlet pipes, one end of each of which communicates with the torsion part of the rotor casing, and the free end is directed into the scoop duct, stiffeners are made on the scoop blades located at an angle to the horizontal plane with a slope towards the wind flow on the inner and outer sides of the blades, the rotor blades are mounted on a centrifugal impeller from the side of the casing’s inner surface and directed along the chords of the rotor housing.
RU2016143777A 2016-11-09 2016-11-09 Wind turbine plant RU2638120C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143777A RU2638120C1 (en) 2016-11-09 2016-11-09 Wind turbine plant
DE112017004377.8T DE112017004377B4 (en) 2016-11-09 2017-03-17 wind turbine plant
PCT/RU2017/000137 WO2018088929A1 (en) 2016-11-09 2017-03-17 Wind turbine assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143777A RU2638120C1 (en) 2016-11-09 2016-11-09 Wind turbine plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2638120C1 true RU2638120C1 (en) 2017-12-11

Family

ID=60718666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016143777A RU2638120C1 (en) 2016-11-09 2016-11-09 Wind turbine plant

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE112017004377B4 (en)
RU (1) RU2638120C1 (en)
WO (1) WO2018088929A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211743U1 (en) * 2021-05-24 2022-06-21 Руслан Александрович Гросу Vertical wind turbine with increased performance
US11391262B1 (en) 2021-08-26 2022-07-19 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for fluid flow based renewable energy generation
US11879435B1 (en) 2023-06-21 2024-01-23 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for cold-climate operation of a fluid-flow based energy generation system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2211950C2 (en) * 2001-11-06 2003-09-10 Кирсанов Александр Викторович Wind set without reduction gear
RU2285149C2 (en) * 2004-06-16 2006-10-10 Станислав Иванович Гусак Vortex wind-power plant
WO2016142704A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Gordon Bell Air capture turbine

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2286477C2 (en) 2004-11-23 2006-10-27 Дальневосточный государственный технический университет Wind-turbine plant
MX2007007730A (en) 2004-12-23 2007-08-16 Katru Eco Inv S Pty Ltd Omni-directional wind turbine.
US20100278629A1 (en) 2005-12-29 2010-11-04 Krippene Brett C Vertical Multi-Phased Wind Turbine System
DE102007049590A1 (en) 2007-10-15 2009-04-16 Emmanuel Ouranos Three or four-laminated vertical wind turbine e.g. Savonius turbine, for producing current to be supplied to e.g. private house in city, has blades terminated on inner-circle of larger radius, where larger openings are formed for wind flow
MY164584A (en) 2009-02-24 2018-01-15 Univ Malaya Wind, solar and rain harvester
JP2011106429A (en) 2009-11-20 2011-06-02 Honda Motor Co Ltd Wind power generation apparatus
US8476783B2 (en) 2010-08-13 2013-07-02 Chung-Yuan Christian University Wind energy generator using piezoelectric material and auxiliary mechanism thereof
DE102011108512B4 (en) 2011-07-26 2015-03-26 Peter Borgsmüller Wind turbine
RU2488019C1 (en) 2011-11-29 2013-07-20 Анатолий Викторович Леошко Wind turbine plant
DE102012010576B4 (en) 2012-05-16 2020-03-12 Forkert Technology Services Gmbh Wind turbine with axis of rotation essentially perpendicular to the wind direction

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2211950C2 (en) * 2001-11-06 2003-09-10 Кирсанов Александр Викторович Wind set without reduction gear
RU2285149C2 (en) * 2004-06-16 2006-10-10 Станислав Иванович Гусак Vortex wind-power plant
WO2016142704A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Gordon Bell Air capture turbine

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211743U1 (en) * 2021-05-24 2022-06-21 Руслан Александрович Гросу Vertical wind turbine with increased performance
US11391262B1 (en) 2021-08-26 2022-07-19 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for fluid flow based renewable energy generation
US11994099B2 (en) 2021-08-26 2024-05-28 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for fluid flow based renewable energy generation
RU2805549C1 (en) * 2023-02-14 2023-10-18 Сергей Николаевич Белозеров Wind turbine plant
US11879435B1 (en) 2023-06-21 2024-01-23 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for cold-climate operation of a fluid-flow based energy generation system

Also Published As

Publication number Publication date
DE112017004377T5 (en) 2019-05-16
DE112017004377B4 (en) 2022-09-08
WO2018088929A1 (en) 2018-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8459930B2 (en) Vertical multi-phased wind turbine system
KR101383849B1 (en) Omni-directional wind turbine
US4915580A (en) Wind turbine runner impulse type
US7753644B2 (en) Vertical multi-phased wind turbine system
US7802967B2 (en) Vertical axis self-breaking wind turbine
US8403623B2 (en) Wind energy power enhancer system
US10280900B1 (en) Omnidirectional building integrated wind energy power enhancer system
KR20180116418A (en) Wind power generator combined with building
EA031486B1 (en) Wind power station provided with a rotating vortex-generating wind concentrator
US20210239088A1 (en) Wind turbine
JP2012107612A (en) Wind tunnel body, vertical axis wind turbine, structure, wind power generator, hydraulic device, and building
JP2010065676A (en) Wind power energy system, wind power energy conversion system, and wind tunnel module
US9273665B1 (en) Dual wind energy power enhancer system
KR101817229B1 (en) Apparatus for generating by wind power
US20150361953A1 (en) Horizontally channeled vertical axis wind turbine
RU2638120C1 (en) Wind turbine plant
RU2531478C2 (en) Wind turbine
US8864455B2 (en) Impulse wind machine
US20130058758A1 (en) Wind turbine installed on the top floor of a residential building, particularly in an urban area
EP3265671B1 (en) Wind power system
RU2249722C1 (en) Rotary wind power station
RU2805549C1 (en) Wind turbine plant
RU2805400C1 (en) Pressure-vacuum wind power plant
RU2157920C2 (en) Windmill electric generating plant
RU204426U1 (en) Wind power plant