RU71386U1

RU71386U1 - WIND POWER PLANT WITH VERTICAL ROTOR

Info

Publication number: RU71386U1
Application number: RU2007120416/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Богила
Original assignee: Александр Петрович Богила
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-03-10

Abstract

Использование: в ветроэнергетических установках для электроснабжения потребителей в бытовой, сельскохозяйственной и промышленной сферах в качестве альтернативного источника энергии. Сущность: ветроэнергетическая установка, в которой вертикальный ротор выполнен в виде двух соосных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, установленных с постоянным шагом, а также вал вращения ротора связан с электрогенератором через механический повышающий редуктор. Цилиндры ротора вращаются в противоположных направлениях, для чего в нижнем цилиндре лопасти повернуты на угол, противоположный углу установки лопастей в верхнем цилиндре. Вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, который также связан, через редуктор, с электрогенератором. В другом варианте, ротор генератора присоединен к валу одного цилиндра, а статор генератора присоединен к валу другого цилиндра. В третьем варианте, к валу каждого цилиндра подключен независимый электрогенератор. Для упрощения конструкции генератора, его ротор (или статор) можно выполнить в виде набора радиальных парных постоянных магнитов, установленных с чередующейся магнитной полярностью в осевом направлении, а статор (или ротор) - в виде набора такого же количества ферромагнитных сердечников с катушками индуктивности, выводы которой соединены согласно-последовательно. Технические преимущества: повышение срока эксплуатации; устранение низкочастотной вибрации; упрощение конструкции; расширение технических возможностей; стабилизация работы установки; упрощение конструкции электрогенератора. 1 независим. п. ф-лы. 6 илл.Usage: in wind power plants for power supply to consumers in the household, agricultural and industrial fields as an alternative source of energy. SUBSTANCE: wind power installation in which a vertical rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical lamellar blades installed with a constant pitch, and also the rotor shaft of rotation of the rotor is connected to the electric generator through a mechanical raising gear. The rotor cylinders rotate in opposite directions, for which the blades in the lower cylinder are turned at an angle opposite to the angle of installation of the blades in the upper cylinder. The shaft of the lower cylinder is hollow and a shaft of the upper cylinder is passed through it, which is also connected, through the gearbox, to the electric generator. In another embodiment, the generator rotor is attached to the shaft of one cylinder, and the generator stator is attached to the shaft of another cylinder. In the third embodiment, an independent electric generator is connected to the shaft of each cylinder. To simplify the design of the generator, its rotor (or stator) can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets mounted with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator (or rotor) in the form of a set of the same number of ferromagnetic cores with inductors, conclusions which are connected in series. Technical advantages: increased life; elimination of low-frequency vibration; design simplification; expanding technical capabilities; stabilization of the installation; simplification of the design of the electric generator. 1 independent. P. f-ly. 6 ill.

Description

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а точнее, к техническим средствам для преобразования кинетической энергии ветра во вращательное движение вала с последующим превращением его в электрическую энергию, и может быть использована в ветроэнергетических установках для электроснабжения потребителей в бытовой, сельскохозяйственной и промышленной сферах в качестве альтернативного источника энергии.The utility model relates to wind energy, and more specifically, to technical means for converting the kinetic energy of the wind into rotational motion of the shaft with its subsequent transformation into electrical energy, and can be used in wind energy installations to supply consumers in the household, agricultural and industrial fields as an alternative source energy.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая многолопастное ветроколесо велосипедного типа, установленное на башне на двух опорах эксцентрично относительно вертикальной оси поворота башни. Цельноповоротная башня перемещается по кольцевой направляющей и устанавливается «на ветер» с помощью хвоста с поворотным подпружиненным планом. Вращательный момент передается от внешнего обода ветроколеса через фрикционный ролик с пневматической шиной на вал генератора, который закреплен на башне. В конструкции этой ветроэнергетической установки предусмотрена проточная система охлаждение генератора и устройство для изменения углов установки лопастей [см. патент США №4330714 по классу F03D 7/04 опубликованный 18.05.82 г.].Known wind power installation containing a multi-blade bicycle type wind wheel mounted on a tower on two supports eccentrically relative to the vertical axis of rotation of the tower. The all-turning tower moves along the annular guide and is installed “in the wind” with the help of a tail with a spring-loaded rotary plan. Torque is transmitted from the outer rim of the wind wheel through a friction roller with a pneumatic tire to the generator shaft, which is mounted on the tower. The design of this wind power installation provides a flow-through system for cooling the generator and a device for changing the installation angles of the blades [see US patent No. 4330714 in class F03D 7/04 published 05/18/82].

Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является значительный ее вес и большие габаритные размеры, что обусловлено использованием в качестве ветроприемного устройства ветроколеса велосипедного типа, а также спецификой конструкции поворотного узла головки ветродвигателя, которая заключается в следующем. Горизонтальная ось вращения ветроколеса закреплена на двух опорах, выполненных в виде наклонных мачт, одна из которых расположена непосредственно перед ветроколесом. Передняя и задняя опоры ветроколеса вместе образуют объемную ферменную конструкцию значительных габаритных размеров. Вследствие этого возникает техническая необходимость использования в качестве поворотного узла целую платформу, выполненную в виде кольцевой направляющей значительного диаметра. Использование кольцевой направляющей значительных размеров вызвано также тем, что ветроколесо установлено эксцентрично относительно вертикальной оси поворота башни. Именно большой диаметр кольцевой направляющей позволяет уменьшить изгибающий момент, возникающий от ветроколеса во время давления на него воздушного потока. Следовательно, большие габаритные размеры установки обусловлены несовершенством ее конструкции. Следует также отметить, что система охлаждения электрического генератора тоже имеет сложную конструкцию, поскольку генератор установлен на поворотной The main disadvantage of this wind power installation is its considerable weight and large overall dimensions, which is due to the use of a bicycle type wind wheel as a wind receiving device, as well as to the specific design of the rotary unit of the head of the wind engine, which is as follows. The horizontal axis of rotation of the wind wheel is mounted on two supports made in the form of inclined masts, one of which is located directly in front of the wind wheel. The front and rear supports of the wind wheel together form a three-dimensional truss structure of significant overall dimensions. As a result, there is a technical need to use the whole platform as a rotary assembly, made in the form of an annular guide of considerable diameter. The use of an annular guide of considerable dimensions is also caused by the fact that the wind wheel is mounted eccentrically relative to the vertical axis of rotation of the tower. It is the large diameter of the annular guide that allows to reduce the bending moment arising from the wind wheel during the pressure on it of the air flow. Therefore, the large overall dimensions of the installation are due to the imperfection of its design. It should also be noted that the cooling system of the electric generator also has a complex structure, since the generator is mounted on a rotary

части платформы, в результате чего, вращается вместе с опорами во время поворота ветроколеса «на ветер». Это вызывает техническую необходимость принимать меры, исключающие спутывание охлаждающих трубопроводов. Таким образом, использование двухопорного эксцентрично установленного ветроколеса велосипедного типа, а также размещения электрогенератора на поворотной части башни ветродвигателя, в совокупности, приводит к значительному увеличению габаритов и веса известной ветроэнергетической установки, а также к неравномерности давления ветрового потока на ветроколесо из-за частичного его «затенения» передней опорой, расположенной перед ветроколесом.parts of the platform, as a result, rotates together with the supports during the rotation of the wind wheel "down the drain". This makes it technically necessary to take measures to prevent tangling of the cooling pipes. Thus, the use of a two-support eccentrically mounted bicycle type wind wheel, as well as the placement of an electric generator on the rotary part of the wind turbine tower, in combination, leads to a significant increase in the dimensions and weight of the known wind power installation, as well as to uneven pressure of the wind flow on the wind wheel due to its partial " shading ”with the front support located in front of the wind wheel.

Этот недостаток устранен в ветроэнергетической установке, содержащей ветроколесо крыльчатого типа с поворотными лопастями, консольные концы которых связаны с центральной втулкой ветроколеса с помощью растяжек. Поворотная головка с ветроколесом установлена на вершине вертикальной башни. Вращающий момент передается из вала ветроколеса через коническую пару и карданный вал на вертикальный вал и, дальше, к фундаменту башни на электрогенератор. Установка ветроколеса «на ветер» осуществляется за помощью хвоста, который установлен на подшипниковых опорах для предупреждения поперечных колебаний. В конструкции установки предусмотрен механизм принудительного складывания хвоста относительно вертикальной оси башни для вывода ветроколеса из-под ветра при его буревых скоростях [см. патент США №43705610 по классу F03D 7/04 опубликованный 13.09.83 г.].This disadvantage is eliminated in a wind power installation containing a wing-type wind wheel with rotary blades, the cantilever ends of which are connected to the central hub of the wind-wheel using stretch marks. A swivel head with a wind wheel is mounted on top of a vertical tower. The torque is transmitted from the wind wheel shaft through a conical pair and a cardan shaft to a vertical shaft and, further, to the tower foundation to an electric generator. The installation of the wind wheel “in the wind” is carried out using the tail, which is mounted on bearing bearings to prevent lateral vibrations. The design of the installation includes a tail folding mechanism relative to the vertical axis of the tower to remove the wind wheel from the wind at its drilling speeds [see US patent No. 43705610 for class F03D 7/04 published September 13, 83].

Одним из существенных недостатков известной ветроэнергетической установки является то, что ее работа вызывает значительный аэродинамический шум, появление которого обусловлено наличием растяжек впереди лопастей ветроколеса. К тому же, указанные растяжки нарушают ламинарность воздушного потока, непосредственно перед ветроколесом, а турбулентный поток, как известно, снижает эффективность работы ветроприемного устройства - его мощность снижается, поскольку давление воздуха на лопасти уменьшается и становиться неравномерным.One of the significant drawbacks of the known wind power installation is that its operation causes significant aerodynamic noise, the appearance of which is due to the presence of stretch marks in front of the blades of the wind wheel. In addition, these stretch marks violate the laminarity of the air flow directly in front of the wind wheel, and the turbulent flow, as you know, reduces the efficiency of the wind receiving device - its power decreases, because the air pressure on the blades decreases and becomes uneven.

Вторым недостатком этой ветроэнергетической установки является достаточно низкий коэффициент использования энергии воздушного потока. Наличие этого недостатка поясняется следующим. Во-первых, поскольку вал ветроколеса расположен горизонтально, а электрогенератор расположен возле фундамента башни, то для передачи вращающего момента от вала ветроколеса к электрогенератору используется коническая пара, карданный вал и вертикальный для изменения направления вращения (с горизонтального на вертикальное). Но передача механической энергии через коническую пару неэффективна, по меньшей мере, из-за низкого коэффициента полезного действия зубчатых конических передач и высокого коэффициента The second disadvantage of this wind power installation is the rather low coefficient of energy use of the air flow. The presence of this drawback is explained as follows. Firstly, since the wind wheel’s shaft is located horizontally, and the electric generator is located near the tower’s foundation, a conical pair, a cardan shaft and vertical are used to transfer torque from the wind wheel to the electric generator to change the direction of rotation (from horizontal to vertical). But the transmission of mechanical energy through a bevel pair is inefficient, at least due to the low efficiency of the bevel gears and the high coefficient

трения в конической паре, которая, к тому же, при больших скоростях вращения, создает значительный шум.friction in a conical pair, which, moreover, at high speeds of rotation, creates significant noise.

Этот недостаток, а точнее, необходимость изменения направления вращательного момента, а также недостаток, указанный раньше, а именно, необходимость поворота головки «на ветер», являются общими почти для всех ветроэнергетических установок такого типа, то есть установок с лопастными ветроколесами с горизонтальным валом вращения. Именно такие установки имеют достаточно сложные узлы поворота головки и узел изменения направления вращательного момента, что существенно усложняет их конструкцию, увеличивает габариты и снижает эксплуатационные характеристики, в частности, надежность, коэффициент использования энергии ветра и увеличивает стоимость.This drawback, or rather, the need to change the direction of the torque, as well as the drawback mentioned earlier, namely, the need to turn the head “in the wind”, are common to almost all wind power plants of this type, that is, installations with rotor blades with a horizontal shaft of rotation . It is such installations that have rather complex knots for turning the head and a knot for changing the direction of torque, which significantly complicates their design, increases dimensions and reduces operational characteristics, in particular, reliability, coefficient of utilization of wind energy and increases cost.

Потому получили распространение ветроэнергетические установки второго типа, которые объединяет то, что они имеют вертикальный вал вращения ветроприемного устройства, в качестве которого могут быть использованные разные конструкции ротора Дарье, ортогональные роторы, роторы Савониуса и обычные многолопастные вертикальные роторы.Therefore, wind power plants of the second type have become widespread, which are united by the fact that they have a vertical shaft of rotation of the wind receiving device, which can be used in various designs of the Darier rotor, orthogonal rotors, Savonius rotors and conventional multi-vane vertical rotors.

Что касается роторов Дарье и ортогональных роторов, то их нужно сначала разогнать до минимальной скорости вращения. Для этого их электрогенераторы, обычно, сначала работают в режиме электродвигателя для разгона ротора, а лишь затем их переключают в режим электрогенератора для выработки электроэнергии. Эта особенность таких ветроэнергетических установок снижает их эффективность, требует определенного обслуживания, а учитывая достаточно высокую конструктивную сложность самого ротора (они имеют аэродинамические профили лопастей), такие ветроэнергетические установки пока не находят широкого распространения.As for the Darier rotors and orthogonal rotors, they must first be dispersed to a minimum speed of rotation. To do this, their electric generators, as a rule, first operate in the electric motor mode for accelerating the rotor, and only then they are switched to the electric generator mode for generating electricity. This feature of such wind power plants reduces their efficiency, requires certain maintenance, and given the rather high structural complexity of the rotor itself (they have aerodynamic profiles of the blades), such wind power plants are not yet widely used.

Среди ветроэнергетических установок с вертикальным валом вращения ветроприемного устройства, в котором лопасти также расположены вертикально, наиболее широкое применение на практике находят установки, в которых ветроприемник выполненный в виде ротора Савониуса или с обычными радиальными лопастями.Among wind power plants with a vertical shaft of rotation of the wind receiving device, in which the blades are also located vertically, the most widely used in practice are installations in which the wind receiver is made in the form of a Savonius rotor or with conventional radial blades.

Но у всех ветроэнергетических установок с вертикальным ротором есть одна проблема, сущность которой заключается в следующем. Набегающий воздушный поток создает определенное давление на весь ротор, но только лишь одна часть лопастей создает вращающий момент на валу, то есть те лопасти, которые находятся с одной стороны от оси ротора, поскольку лопасти, находящиеся с другой стороны от оси, двигаются навстречу ветру и оказывают сопротивление вращению ротору. Потому эту часть ротору закрывают или «затеняют» различными дополнительными устройствами.But all wind turbines with a vertical rotor have one problem, the essence of which is as follows. The incoming air flow creates a certain pressure on the entire rotor, but only one part of the blades creates torque on the shaft, that is, those blades that are on one side of the axis of the rotor, since the blades located on the other side of the axis move towards the wind and resist rotation of the rotor. Therefore, this part of the rotor is closed or "obscured" by various additional devices.

Например, известна ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, содержащим установленное на вертикальном валу ветроколесо, выполненное в виде цилиндрического обода, на внешней поверхности которого радиально закреплены лопасти, и расположенный коаксиально ему направляющий аппарат, выполненный в виде лопаток, закрепленных неподвижно и расположенных относительно ветроколеса таким образом, что их проекции на плоскость сечения ветроколеса по диаметру перекрывают друг друга [см. патент Украины №7315 по классу F03D 1/04 опубликованный 30.06.95 г.].For example, a wind power installation with a vertical rotor is known, comprising a wind wheel mounted on a vertical shaft, made in the form of a cylindrical rim, on the outer surface of which the blades are radially mounted, and a guide apparatus located coaxially to it, made in the form of blades fixed motionless and located relative to the wind wheel in this way that their projections onto the plane of the cross-section of the wind wheel in diameter overlap each other [see patent of Ukraine No. 7315 for class F03D 1/04 published on 06/30/95].

Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является несовершенство конструкции ее направляющего аппарата. Этот недостаток обусловлен наличием в аппарате большого количества лопаток, что увеличивает трудоемкость его изготовления, а расположение этих лопаток под определенным углом увеличивает диаметр ветроприемника на 20%, что приводит к увеличению его габаритов по диаметру и веса в целом. Учитывая, что ротор обычно устанавливают на мачте, увеличение его веса и габаритов, вынуждает использовать более прочную мачту, поскольку возрастает непропорционально изгибающий момент и сопротивление воздушному потоку. Поэтому дальнейшее совершенствование ветроэнергетических установок такого класса пошло по пути уменьшения направляющего аппарата за счет принципиального изменения его конструкции.The main disadvantage of this wind power installation is the imperfection of the design of its guide apparatus. This disadvantage is due to the presence of a large number of blades in the apparatus, which increases the complexity of its manufacture, and the location of these blades at a certain angle increases the diameter of the wind receiver by 20%, which leads to an increase in its dimensions in diameter and weight in general. Considering that the rotor is usually mounted on the mast, an increase in its weight and dimensions forces it to use a more robust mast, because the disproportionately bending moment and resistance to air flow increase. Therefore, further improvement of wind power installations of this class has gone along the path of reducing the guide apparatus due to a fundamental change in its design.

Так, например, известна ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, в качестве которого используется ротор Савониуса с вертикальной осью вращения, изготовленный в виде вертикального вала с вертикальными лопастями, причем ротор выполнен двухсекционным с одинаковым направлением вращения каждой секции, а также ротор расположен в центре поворотного цилиндрического концентратора-дефлектора с окнами на боковой поверхности, выполненными симметрично и с углом раскрытия 80-110°, а сам концентратор-дефлектор размещен между верхним и нижним концентраторами ветрового потока, выполненными в виде усеченных конусов с острым углом, которые соединены между собой жесткими вертикальными опорами, расположенными на платформе, а на верхнем концентраторе ветрового потока установлен прибор ориентации по ветру, кинематически связанный с поворотным концентратором-дефлектором [см. патент Украины №35530 по классу F03D 3/00, F03D 3/06 опубликованный 15.03.2001 г.].For example, a wind power plant with a vertical rotor is known, for which a Savonius rotor with a vertical axis of rotation is used, made in the form of a vertical shaft with vertical blades, the rotor being made two-section with the same direction of rotation of each section, and the rotor is located in the center of the rotary cylindrical a hub-deflector with windows on the side surface made symmetrically and with an opening angle of 80-110 °, and the hub-deflector is located between the top and lower concentrators of the wind flow, made in the form of truncated cones with an acute angle, which are interconnected by rigid vertical supports located on the platform, and on the upper concentrator of the wind flow there is a wind orientation device kinematically connected to the rotary deflector concentrator [see patent of Ukraine No. 35530 for class F03D 3/00, F03D 3/06 published March 15, 2001].

Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является ее малая установочная мощность, что связано с невозможностью увеличения размеров ротора такого типа (Савониуса). Это обусловлено, по меньшей мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, лопасть Савониуса имеет сложный профиль, что вызывает определенные трудности в его изготовлении больших размеров, в частности, большой длины. Именно по этой причине авторы The main disadvantage of this wind power installation is its low installation capacity, which is associated with the impossibility of increasing the size of this type of rotor (Savonius). This is due to at least two circumstances. Firstly, the Savonius blade has a complex profile, which causes certain difficulties in its manufacture of large sizes, in particular, of great length. It is for this reason that the authors

известной ветроэнергетической установки делают его многосекционным (для уменьшения длины одной лопасти). Также, при изготовленные такой сложнопрофильной лопасти значительной ширины, необходимо использовать нестандартное оборудование. Более того, установки с малым количеством лопастей Савониуса (а их в известной установке всего две), как известно, относятся к быстроходным. Если ротор Савониуса такой установки сделать большим (для увеличения мощности, которая зависит непосредственно от размеров ротора), то непропорционально растет центробежная сила, которая может разорвать ротор, то есть чрезмерное увеличение размеров ротора делает установку опасной. Потому ветроэнергетические установки с ротором Савониуса всегда имеют небольшой размер, что не позволяет получать от них большой мощности. Поскольку сегодня, даже индивидуальный потребитель, нуждается в большом энергоснабжении из-за наличия в собственности мощной бытовой и другой техники, известная ветроэнергетическая установка, из-за небольшой мощности, не привлекательна для приобретения, а это означает, что она нецелесообразна для изготовления в серийном производстве. Указанный недостаток устраняется в ветроэнергетических установках с многолопастными роторами с вертикальной осью вращения различных конструкций.known wind power plants make it multi-sectional (to reduce the length of one blade). Also, when manufactured with such a complex profile blade of considerable width, it is necessary to use non-standard equipment. Moreover, installations with a small number of Savonius blades (and there are only two of them in the known installation) are known to be high-speed. If the Savonius rotor of such an installation is made large (to increase power, which depends directly on the size of the rotor), then the centrifugal force that can break the rotor increases disproportionately, that is, an excessive increase in the size of the rotor makes the installation dangerous. Therefore, wind power plants with a Savonius rotor are always small in size, which does not allow them to receive large power. Since today, even an individual consumer, needs a large power supply due to the availability of powerful household and other equipment, the well-known wind power plant, due to its small capacity, is not attractive for purchase, which means that it is not practical for serial production . This drawback is eliminated in wind turbines with multi-blade rotors with a vertical axis of rotation of various designs.

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, в которой ротор выполнен в виде двух соосных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, закрепленных на них с постоянным шагом перпендикулярно радиусу, причем оба цилиндра имеют общую ось вращения, благодаря которой вращаются вместе в одну сторону, а также вал вращения цилиндров связан с электрогенератором через механический повышающий редуктор. В качестве электрогенератора используется обычный электродвигатель постоянного тока. Эта установка имеет секционное направляющее устройство, которое состоит из двух жестко соединенных между собой сегментных обечаек, с одинаковыми направленными углами, которые охватывают ротор и связанны с флюгерным планом, служащим для ориентации направляющего устройства по ветру [см. патент Германии №3734106 по классу F03D 3/06 опубликованный 27.04.1989 г.].The closest in essence and the achieved effect, taken as a prototype, is a wind turbine with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical plate vanes mounted on them with a constant pitch perpendicular to the radius, both cylinders having a common the axis of rotation, due to which they rotate together in one direction, and also the shaft of rotation of the cylinders is connected to the electric generator through a mechanical step-up gearbox. As an electric generator, a conventional DC motor is used. This installation has a sectional guiding device, which consists of two segmented shells rigidly interconnected, with identical directed angles that enclose the rotor and are connected with the weathervane plan, which serves to orient the guiding device in the wind [see German patent No. 3734106 in class F03D 3/06 published 04/27/1989].

Основным недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что она модулирует низкочастотную вибрацию, которая, как известно, опасна для человека, причем указанная вибрация возникает, невзирая на присутствие или отсутствие направляющего устройства любой конструкции, поскольку ее появление обусловлено работой самого ротора. При этом не имеет значения, какой ротор используется: ротор Савониуса, или многолопастный ротор. Это связано с тем, что ветровой поток нагружает лопасть по-разному, в зависимости от угла ее наклона к ветровому потоку. Поскольку лопасти постоянно вращаются вокруг The main disadvantage of the known wind power installation is that it modulates a low-frequency vibration, which is known to be dangerous for humans, and this vibration occurs despite the presence or absence of a guiding device of any design, since its appearance is due to the operation of the rotor itself. It does not matter which rotor is used: the Savonius rotor, or the multi-vane rotor. This is due to the fact that the wind flow loads the blade in different ways, depending on the angle of its inclination to the wind flow. Because the blades are constantly spinning around

вала, то они, естественно, каждое мгновение оказываются под разным углом к направлению воздушного потока. При этом одна часть потока толкает лопасть, а вторая составляющая давления действует по направлению к валу, вызывая в нем появление изгибающего момента, из-за которого вал постоянно находится в циклическом режиме изгибающей нагрузки, что и вызывает появление низкочастотной вибрации. Амплитуду колебаний вала можно снизить путем увеличения количества лопастей, но это не устраняет саму вибрацию. Циклические колебания вала быстро приводят к усталости металла, из которого он изготовлен, что уменьшает ресурс безопасной работы ветроэнергетических установок роторного типа. Следовательно, вторым недостатком известной ветроэнергетической установки является ограниченность ресурса ее безопасной эксплуатации из-за возможности поломки вала, что, в свою очередь, вызывает необходимость постоянного контроля технического состояния установки, связанного со сложным измерением изменения свойств металла вала. Все перечисленные недостатки делают известную ветроэнергетическую установку опасной, особенно при порывах ветра и при буревых ветрах, неудобной в эксплуатации.shaft, then, of course, every moment they are at a different angle to the direction of the air flow. In this case, one part of the flow pushes the blade, and the second pressure component acts towards the shaft, causing a bending moment in it, due to which the shaft is constantly in the cyclic mode of the bending load, which causes the appearance of low-frequency vibration. The vibration amplitude of the shaft can be reduced by increasing the number of blades, but this does not eliminate the vibration itself. Cyclic vibrations of the shaft quickly lead to fatigue of the metal from which it is made, which reduces the resource of safe operation of rotor-type wind power plants. Therefore, the second disadvantage of the known wind power installation is the limited resource for its safe operation due to the possibility of shaft breakage, which, in turn, necessitates constant monitoring of the technical condition of the installation associated with the complex measurement of changes in the properties of the shaft metal. All these shortcomings make the well-known wind power installation dangerous, especially with gusts of wind and with storm winds, inconvenient in operation.

В основу полезной модели поставлена задача повышения срока безопасной эксплуатации ветроэнергетической установки роторного типа с одновременным устранением низкочастотной вибрации за счет создания уравновешивающих колебаний давления одинаковых по величине, но противоположных по знаку (по направлению действия) путем изменения направления вращения одного из двух цилиндров ротора на противоположный.The utility model is based on the task of increasing the safe life of a rotor-type wind power installation while eliminating low-frequency vibration by creating balancing pressure fluctuations of the same magnitude but opposite in sign (in direction of action) by reversing the direction of rotation of one of the two rotor cylinders.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветроэнергетической установке с вертикальным ротором, в которой ротор выполнен в виде двух соосных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, установленных с постоянным шагом, а также вал вращения ротора связан с электрогенератором через механический повышающий редуктор, согласно с предложению, указанные цилиндры вращаются в противоположных направлениях, для чего в нижнем цилиндре лопасти повернуты на угол, противоположный углу установки лопастей в верхнем цилиндре, а также вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, связанный через редуктор с электрогенератором. Благодаря противоположному направлению вращения цилиндров ротора появляется возможность отказаться от механического повышающего редуктора, поскольку относительная скорость вращения цилиндров возрастает в два раза и ее достаточно для работы электрогенератора без механического редуктора, если ротор генератора присоединить к валу одного цилиндра, а статор генератора присоединить к валу другого цилиндра. Это позволяет повысить коэффициент использования энергии ветрового потока установкой. Благодаря противоположному направлению вращения цилиндров ротора, возможен и другой The solution to this problem is achieved by the fact that in a wind power installation with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical plate blades installed with a constant pitch, and the rotor shaft is connected to the electric generator through a mechanical raising gear, according to the proposal, these cylinders rotate in opposite directions, for which, in the lower cylinder, the blades are turned at an angle opposite to the angle of installation of the blades in the upper ilindre and lower cylinder shaft formed hollow and the shaft passed therethrough upper cylinder connected through a gearbox to an electric generator. Owing to the opposite direction of rotation of the rotor cylinders, it becomes possible to abandon the mechanical boosting reducer, since the relative rotation speed of the cylinders doubles and it is enough to operate the generator without a mechanical reducer if the generator rotor is connected to the shaft of one cylinder and the generator stator is connected to the shaft of another cylinder . This allows you to increase the utilization of the energy of the wind flow by the installation. Due to the opposite direction of rotation of the rotor cylinders, another

вариант получения электрического тока: к валу каждого цилиндра подключить независимый электрогенератор, и именно так удовлетворять потребности одновременно двух потребителей. Кроме того, для упрощения конструкции генератора, его ротор (или статор) можно выполнить в виде набора радиальных парных постоянных магнитов, установленных с чередующейся магнитной полярностью в осевом направлении, а статор (или ротор) - в виде набора такого же количества ферромагнитных сердечников с катушками индуктивности, выводы которой соединены согласно-последовательно.option to obtain electric current: connect an independent electric generator to the shaft of each cylinder, and this is how to satisfy the needs of two consumers simultaneously. In addition, to simplify the design of the generator, its rotor (or stator) can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets mounted with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator (or rotor) in the form of a set of the same number of ferromagnetic cores with coils inductance, the conclusions of which are connected in series.

Поскольку оба цилиндра отличаются один от другого лишь углом установки лопастей, то они уравновешивают друг друга при вращении и компенсируют изгибающий момент на валу, что позволяет эксплуатировать установку при любой силе ветра без вибраций. Кроме того, вращение цилиндров в разных направлениях позволяет расширить технические возможности установки в целом путем отказа от механического редуктора, или использовать одновременно два электрогенератора, пусть и с механическими редукторами: при этом все равно коэффициент использования энергии ветра возрастает.Since both cylinders differ from each other only in the angle of installation of the blades, they balance each other during rotation and compensate for the bending moment on the shaft, which allows the unit to be operated with any wind force without vibration. In addition, the rotation of the cylinders in different directions allows you to expand the technical capabilities of the installation as a whole by abandoning the mechanical gearbox, or to use two electric generators simultaneously, albeit with mechanical gearboxes: in this case, the coefficient of utilization of wind energy increases.

Дальнейшая сущность полезной модели объясняется иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда нижний цилиндр не используется для выработки энергии, а только стабилизирует работу установки; фиг.2 - сечение верхнего цилиндра ротора; фиг.3 - сечение нижнего цилиндра ротора; фиг.4 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда нижний цилиндр используется отдельно для выработки энергии; фиг.5 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда верхний цилиндр связан с ротором, а нижний цилиндр - со статором; фиг.6 - схема предлагаемого электрогенератора, вид сверху.The further essence of the utility model is explained by illustrative material, which shows the following: figure 1 is a General side view of the proposed wind power installation. An option when the lower cylinder is not used to generate energy, but only stabilizes the operation of the installation; figure 2 is a cross section of the upper cylinder of the rotor; figure 3 is a cross section of the lower cylinder of the rotor; figure 4 is a General side view of the proposed wind power installation. A variant when the lower cylinder is used separately to generate energy; 5 is a General side view of the proposed wind power installation. A variant when the upper cylinder is connected to the rotor and the lower cylinder to the stator; 6 is a diagram of the proposed generator, top view.

Предлагаемая ветроэнергетическая установка содержит опорную ферму 1, на которой вертикально установлен многолопастный ротор, состоящий из соосных верхнего цилиндра 2 и нижнего цилиндра 3. Указанные цилиндры 2 и 3 имеют одинаковую конструкцию и состоят из торцевых колец 4, между которыми вертикально расположены пластинчатые вогнутые лопасти 5. Лопасти 5 установлены с постоянным шагом и под определенным углом. Каждый из цилиндров 2 и 3 имеют одинаковое количество одинаковых по размерам лопастей 5, а также они на обоих цилиндрах 2 и 3 установленные с одинаковым шагом и под одинаковым углом. Разница лишь в том, что в нижнем цилиндре 3 лопасти 5 повернуты на угол, противоположный углу, под которым лопасти 5 установлены на верхнем цилиндре 2, что и обеспечивает вращение цилиндров 2 и 3 в противоположных направлениях. Благодаря этому, изгибающие силы, возникающие во время вращения верхнего цилиндра 2, полностью компенсируются The proposed wind power installation comprises a support truss 1, on which a multi-vane rotor is mounted vertically, consisting of coaxial upper cylinder 2 and lower cylinder 3. These cylinders 2 and 3 have the same design and consist of end rings 4, between which plate-shaped concave blades 5 are vertically located. The blades 5 are installed with a constant pitch and at a certain angle. Each of the cylinders 2 and 3 have the same number of identical sized blades 5, and they are also installed on both cylinders 2 and 3 with the same pitch and at the same angle. The only difference is that in the lower cylinder 3, the blades 5 are rotated at an angle opposite to the angle at which the blades 5 are mounted on the upper cylinder 2, which ensures rotation of the cylinders 2 and 3 in opposite directions. Due to this, the bending forces arising during the rotation of the upper cylinder 2 are fully compensated

изгибающими силами, возникающими во время вращения нижнего цилиндра 3, поскольку изгибающие силы, возникающие в обоих цилиндрах 2 и 3 абсолютно одинаковы по величине, но абсолютно противоположны по направлению действия, и поэтому полностью и уравновешиваются.bending forces arising during the rotation of the lower cylinder 3, since the bending forces arising in both cylinders 2 and 3 are absolutely identical in magnitude, but absolutely opposite in direction of action, and therefore fully balanced.

Вертикальный вал 6 вращения нижнего цилиндра 3 выполнен пустотелым (трубчатым, полым) и сквозь него проходит вертикальный вал 7 верхнего цилиндра 2, что обеспечивает соосность обоих цилиндров 2 и 3 и вращение независимо друг от друга. Вертикальный вал 7 верхнего цилиндра 2 связанный с электрогенератором 8 через механический повышающий редуктор, который схематически изображен в виде зубчатой передачи 9. В этом варианте исполнения ветроэнергетической установки нижний цилиндр 3 не используется для выработки энергии, поскольку не связан с электрогенератором 8. В этом случае он предназначен лишь для стабилизации работы установки (фиг.1).The vertical shaft 6 of rotation of the lower cylinder 3 is made hollow (tubular, hollow) and through it passes the vertical shaft 7 of the upper cylinder 2, which ensures alignment of both cylinders 2 and 3 and rotation independently of each other. The vertical shaft 7 of the upper cylinder 2 is connected to the electric generator 8 through a mechanical step-up gearbox, which is schematically shown as a gear transmission 9. In this embodiment of the wind power installation, the lower cylinder 3 is not used to generate energy, since it is not connected to the electric generator 8. In this case, it intended only to stabilize the operation of the installation (figure 1).

Поскольку нижний цилиндр 3 вращается независимо от верхнего цилиндра 2, он может быть самостоятельно снабжен аналогичным электрогенератором 8 и связанный с ним через аналогичную зубчатую передачу 9. В этом варианте исполнения ветроэнергетической установки нижний цилиндр 3 уже используется одновременно и для выработки электроэнергии и для стабилизации работы установки (фиг.4). В этом случае одна ветроэнергетическая установка может удовлетворять потребности уже двух потребителей, или одного с удаленными источниками энергопотребления.Since the lower cylinder 3 rotates independently of the upper cylinder 2, it can be independently equipped with a similar electric generator 8 and connected with it through a similar gear transmission 9. In this embodiment of the wind power installation, the lower cylinder 3 is already used simultaneously to generate electricity and to stabilize the installation (figure 4). In this case, one wind power installation can satisfy the needs of two consumers, or one with remote sources of energy consumption.

Вращение цилиндров 2 и 3 в разных направлениях позволяет отказаться от механического повышающего редуктора, поскольку относительная скорость вращения цилиндров 2 и 3 возрастает в два раза и такой скорости уже достаточно для работы электрогенератора 8 без механического редуктора. Для этого ротор электрогенератора 8 присоединяют, например, к вертикальному валу 7 верхнего цилиндра 2, а статор электрогенератора 8 - к вертикальному валу 6 нижнего цилиндра 3 (фиг.5).The rotation of the cylinders 2 and 3 in different directions makes it possible to abandon the mechanical step-up gear, since the relative speed of rotation of the cylinders 2 and 3 doubles and this speed is already sufficient for the electric generator 8 to operate without a mechanical gear. For this, the rotor of the electric generator 8 is connected, for example, to the vertical shaft 7 of the upper cylinder 2, and the stator of the electric generator 8 is connected to the vertical shaft 6 of the lower cylinder 3 (Fig. 5).

Во всех перечисленных вариантах исполнения установки один из цилиндров 2 или 3 всегда выполняет функцию стабилизатора ее работы, а в последних двух вариантах выполнения - еще и повышается коэффициент использования энергии ветра, поскольку нижний цилиндр 3 также принимает участие в выработке электроэнергии.In all of the listed versions of the installation, one of the cylinders 2 or 3 always acts as a stabilizer of its operation, and in the last two variants of execution, the coefficient of utilization of wind energy also increases, since the lower cylinder 3 also takes part in the generation of electricity.

Для упрощения конструкции электрогенератора 8, его ротор 10 можно выполнить в виде набора радиальных парных постоянных магнитов 11, установленных с чередованием магнитной полярности в осевом направлении, а статор 12 - в виде набора такого же количества ферромагнитных сердечников 13 с катушками индуктивности 14, выводы которых соединены согласно-последовательно для суммирования их электродвижущий силы.To simplify the design of the generator 8, its rotor 10 can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets 11 mounted with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator 12 - in the form of a set of the same number of ferromagnetic cores 13 with inductors 14, the terminals of which are connected sequentially to summarize their electromotive forces.

Дальнейшая сущность полезной модели поясняется совместно с принципом работы предложенной ветроэнергетической установки при оснащении ее электрогенератором 8 магнитной конструкции, о которой сказано выше, поскольку работа с обычным электрогенератором 8 или двигателем постоянного тока хорошо известна и неоднократно описана.The further essence of the utility model is explained in conjunction with the principle of operation of the proposed wind power installation when equipping it with an electric generator 8 of a magnetic design, which was mentioned above, since the work with a conventional electric generator 8 or a DC motor is well known and repeatedly described.

Ветровой поток обдувает лопасти 5 верхнего цилиндра 2 и нижнего цилиндра 3. Под воздействием давления воздуха цилиндры 2 и 3 вращаются в противоположных направлениях и превращают кинетическую энергию ветра во вращательное движение вертикальных валов 6 и 7, которые также вращаются в противоположных направлениях. Вращение отмеченных узлов установки в противоположных направлениях полностью устраняет низкочастотную вибрацию и стабилизирует работу установки. Поскольку один или оба вертикальных вала 6 и 7 связаны с электрогенератором 8, последний производит электрический ток, который поступает к потребителям. Если электрогенератор 8 выполнен в виде набора магнитов, то он работает следующим образом. Вращающий момент от вертикального вала 7 передается к ротору 10 с закрепленными на его лучах постоянными магнитами 11, например, керамическими или ферритовыми. Магниты 11 на основе феррита имеют широкое распространение, из-за их низкой стоимости и достаточно простой технологии изготовления. Поскольку постоянные магниты 11 на диаметрально противоположных лучах имеют ярко выраженную разноименную полярность, образуется мощное магнитное поле возбуждения, которое замыкается на ферромагнитные сердечники 13, радиально закрепленные на статоре 12. При этом образуется магнитная цепь возбуждения с минимальным магнитным сопротивлением. При вращении магнитное поле возбуждения, образованное постоянными магнитами 11, пересекает катушки индуктивности 14 и наводит в них электродвижущую силу. Поскольку катушки индуктивности 14 соединены согласно-последовательно, возникающая них электродвижущая сила суммируется и передается дальше потребителю в качестве источника электроэнергии.The wind flow blows around the blades 5 of the upper cylinder 2 and the lower cylinder 3. Under the influence of air pressure, the cylinders 2 and 3 rotate in opposite directions and turn the kinetic energy of the wind into rotational motion of the vertical shafts 6 and 7, which also rotate in opposite directions. Rotation of the marked units of the installation in opposite directions completely eliminates low-frequency vibration and stabilizes the operation of the installation. Since one or both of the vertical shafts 6 and 7 are connected to the electric generator 8, the latter produces electric current, which is supplied to consumers. If the generator 8 is made in the form of a set of magnets, then it works as follows. The torque from the vertical shaft 7 is transmitted to the rotor 10 with permanent magnets 11 fixed to its beams, for example, ceramic or ferrite. Ferrite-based magnets 11 are widespread, due to their low cost and fairly simple manufacturing technology. Since the permanent magnets 11 on diametrically opposite beams have a pronounced opposite polarity, a powerful magnetic field of excitation is formed, which closes on the ferromagnetic cores 13 radially mounted on the stator 12. In this case, a magnetic excitation circuit with minimal magnetic resistance is formed. During rotation, the magnetic field of the excitation formed by the permanent magnets 11 crosses the inductors 14 and induces an electromotive force therein. Since the inductance coils 14 are connected in series, the resulting electromotive force is added up and transmitted further to the consumer as an electric power source.

Существенное отличие заявляемого технического решения, от ранее известных, заключается в том, что ротор ветроэнергетической установки выполнен в виде двух цилиндров одинаковой, но зеркально отображенной конструкции, вращающихся в противоположных направлениях, вертикальные валы которых, один или оба, связаны с электрогенератором, выполненным в виде набора магнитов. Указанные отличия, в совокупности, позволяют стабилизировать роботу установки независимо от силы ветра и устранить низкочастотную вибрацию, а благодаря противоположным направлениям вращения цилиндров, расширить варианты получения электрической энергии с одновременным повышением коэффициента использования энергии ветра. Ни одна из известных ветроэнергетических установок роторного типа не могут обладать отмеченными свойствами, поскольку их роторы либо сплошные, либо A significant difference between the claimed technical solution and the previously known ones is that the rotor of the wind power installation is made in the form of two cylinders of the same but mirrored design, rotating in opposite directions, the vertical shafts of which, one or both, are connected to an electric generator made in the form set of magnets. These differences, in aggregate, make it possible to stabilize the installation robot regardless of wind strength and eliminate low-frequency vibration, and due to the opposite directions of rotation of the cylinders, expand options for generating electrical energy while increasing the utilization of wind energy. None of the known rotor-type wind power plants can have the indicated properties, since their rotors are either solid or

секционные, но вращаются в одну сторону, что вообще не позволяет получить указанные свойства. При этом сущность предложения не изменяется при использовании направляющих или «затеняющих» устройств и электрогенераторов любой известной конструкции, поскольку принцип, на котором осуществляется стабилизация работы, гашение вибраций и расширения технических возможностей посредством увеличение вариантов использования, от этого не зависит и всегда сохраняется.sectional, but rotate in one direction, which generally does not allow to obtain these properties. At the same time, the essence of the proposal does not change when using guides or “shading” devices and electric generators of any known design, since the principle on which stabilization of work, damping of vibrations and expansion of technical capabilities by means of increasing use cases is carried out does not depend on this and always remains.

К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:The technical advantages of the proposed technical solution, in comparison with the prototype, include the following:

- повышение срока эксплуатации за счет уменьшения усталости металла из-за уменьшения циклической нагрузки на узлы установки;- increase the service life by reducing metal fatigue due to the reduction of the cyclic load on the installation nodes;

- устранение низкочастотной вибрации за счет компенсации давления, действующего на лопасти одного цилиндра, давлением, действующим на лопасти второго цилиндра;- the elimination of low-frequency vibration by compensating for the pressure acting on the blades of one cylinder, the pressure acting on the blades of the second cylinder;

- упрощение конструкции за счет использования многолопастных цилиндров с простыми лопастями;- simplification of the design through the use of multi-vane cylinders with simple blades;

- расширение технических возможностей за счет возможности использования каждого цилиндра как отдельного источника энергии;- expanding technical capabilities due to the possibility of using each cylinder as a separate energy source;

- стабилизация работы установки за счет противоположного вращения цилиндров;- stabilization of the installation due to the opposite rotation of the cylinders;

- упрощение конструкции электрогенератора за счет использования в нем постоянных магнитов и катушек индуктивности для создания электродвижущей силы.- simplification of the design of the electric generator through the use of permanent magnets and inductors in it to create an electromotive force.

Социальный эффект от внедрения полезной модели, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет повышения безопасности установки, как для пользователей, так и для окружающей среды за счет снижения низкочастотной вибрации и за счет снижения вероятности разрушения узлов установки, а также получения одновременно двух источников электроснабжения.The social effect of the introduction of a utility model, compared with the use of the prototype, is obtained by increasing the safety of the installation, both for users and the environment by reducing low-frequency vibration and by reducing the likelihood of destruction of the installation nodes, as well as receiving two power sources at the same time .

Экономический эффект от использования предложенной ветроэнергетической установки, в сравнении с прототипом, получают за счет снижения стоимости установки в результате упрощения конструкции лопастей, уменьшение стоимости электрогенератора и исключения (в некоторых вариантах) механического редуктора.The economic effect of using the proposed wind power installation, in comparison with the prototype, is obtained by reducing the cost of the installation as a result of simplifying the design of the blades, reducing the cost of the generator and eliminating (in some cases) a mechanical gearbox.

Claims

1. A wind power plant with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical vane blades installed with a constant pitch, and the rotor shaft is connected to the electric generator through a mechanical raising gear, characterized in that the said cylinders rotate in opposite directions, for which, in the lower cylinder, the blades are turned at an angle opposite to the angle of installation of the blades in the upper cylinder, and the shaft of the lower cylinder is made empty the shaft of the upper cylinder is connected through and through it, connected through a gearbox to an electric generator.

2. A wind power plant with a vertical rotor according to claim 1, characterized in that the generator rotor is connected to the shaft of one cylinder, and the generator stator is connected to the shaft of another cylinder.

3. A wind power plant with a vertical rotor according to claim 1, characterized in that an independent electric generator is connected to the shaft of each cylinder through a mechanical boosting gear.

4. A wind power plant with a vertical rotor according to claim 2, characterized in that the rotor (or stator) can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets mounted with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator (or rotor) in the form of a set the same number of ferromagnetic cores with inductors, the terminals of which are connected in series.