RU71707U1

RU71707U1 - ROTARY WIND ENGINE

Info

Publication number: RU71707U1
Application number: RU2007145058/22U
Authority: RU
Inventors: Нина Александровна Устина; Анна Александровна Карлина
Original assignee: Нина Александровна Устина
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2008-03-20

Abstract

Изобретение относится к области энергетики с использованием чистого возобновляемого источника энергии.The invention relates to the field of energy using a clean renewable energy source.

Роторный ветродвигатель содержит ротор, вертикально установленный в подшипниковых опорах, вал отбора мощности, конфузоры и заслонки кофузоров, число последних по крайне мере не менее трех, установленных неподвижно, вокруг роторного колеса, а боковые поверхности каждого конфузора образованы плоскостями или криволинейными поверхностями - касательными к цилиндрической поверхности ротора, а на заслонках выполнены, например, щелевые продольные отверстияThe rotor wind turbine contains a rotor vertically mounted in bearing bearings, a power take-off shaft, confusers and cofuser flaps, at least three of them last installed motionless around the rotor wheel, and the side surfaces of each confuser are formed by planes or curved surfaces that are tangent to the cylindrical the rotor surface, and on the shutters are made, for example, slotted longitudinal holes

Экономическая эффективность:Cost-effectiveness:

- обеспечивает безаварийную работу роторных ветродвигателей при штормовых ветрах и различных по направлению потоков ветра и различных по направлению потоков ветра, за счет пространственной жесткости конструкции конфузоров;- ensures trouble-free operation of rotor wind turbines in case of gale winds and wind flows different in direction and wind flows different in direction, due to the spatial rigidity of the confuser structure;

- обеспечить многократное расширение диапазона скоростей действущего ветра начиная от скорости менее 1 м/с:- to provide multiple expansion of the range of speeds of the current wind from a speed of less than 1 m / s:

- обеспечить увеличение эффективной мощности за счет уменьшения габаритов ротора до 1 м и высотой до 3 м, вырабатывая до 1500 Квт/час энергии:- to provide an increase in effective power by reducing the dimensions of the rotor to 1 m and a height of 3 m, producing up to 1500 kW / h of energy:

- снизить стоимрсть 1 Квт в 10 раз.- reduce the cost of 1 kW by 10 times.

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра или иной текущей среды в другие виды энергии.The invention relates to the field of energy and can be used to convert the kinetic energy of the wind or other current medium into other types of energy.

Известные крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, карусельные с вертикальной осью вращения, конвейерные, роторные, типа Дарье и другие.Famous vane wind turbines with a horizontal axis of rotation, rotary with a vertical axis of rotation, conveyor, rotor, type Darier and others.

Наибольшее распространение получили крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения и роторные ветродвигатели с вертикальной осью вращения и реже - с горизонтальной осью вращения, например, барабанного типа.The most widespread are vane wind turbines with a horizontal axis of rotation and rotor wind motors with a vertical axis of rotation and less often with a horizontal axis of rotation, for example, of a drum type.

Основным недостатком крыльчатых ветродвигателей с горизонтальной осью вращения является необходимость строительства высоких дорогостоящих башен, для энергоустановок средней и большей мощности.The main disadvantage of winged wind turbines with a horizontal axis of rotation is the need to build high expensive towers for power plants of medium and higher power.

С увеличением необходимой мощности таких ветродвигателей растет диаметр ветроколеса, и, как следствие, увеличивается и высота башни. Эти показатели увеличивают аварийность работы ветродвигателя при штормовом ветре, обеспечение достаточной надежности работы крыльчатых ветродвигателей высотой более 65 метров и мощностью превышающей 2,5 МВт требует дополнительных капиталовложений, причем значительных.With an increase in the required power of such wind turbines, the diameter of the wind wheel increases, and, as a result, the height of the tower also increases. These indicators increase the accident rate of operation of a wind turbine during a stormy wind, ensuring sufficient reliability of the operation of winged wind turbines with a height of more than 65 meters and a power exceeding 2.5 MW requires additional investment, and significant.

Известен способ уменьшения габаритов ветроколеса и высоты башен без снижения необходимой мощности за счет установки перед ветроколесом коробчатого конфузора в форме, например, усеченного полого конуса установленного соосно ветроколесу с расширением диаметра конуса против направления ветра (См Шефтера Я.И.) Использование энергии A known method of reducing the dimensions of the wind wheel and the height of the towers without reducing the required power by installing a box-shaped confuser in front of the wind wheel in the form of, for example, a truncated hollow cone mounted coaxially with the wind wheel with an extension of the diameter of the cone against the direction of the wind (See Shefter Y.I.) Energy use

ветра. М. Энергоатом издание 1983 г). При этом увеличении мощности достигается за счет увеличения скорости ветра перед ветроколесом пропорционально отношению большого и малого отверстий конфузора. Данное техническое решение не получило широкого применения. При этом, одним из недостатков встала необходимость увеличения габаритных размеров и веса элементов конструкции в верхней части башен. Включая необходимое увеличение габаритных размеров и веса флюгерного устройства. В противном случае сам конфузор превратится во флюгер. Все это приводит к повышению неустойчивости конструкции в целом, а при штормовых ветрах к неоправданному увеличению жесткости, и, как следствие, увеличению поперечных габаритов башни. При этом практически полностью исключаются основные преимущества крыльчатых ветродвигателей - их простота конструкции и относительно малая металлоемкость.the wind. M. Energoatom 1983 edition). With this increase in power is achieved by increasing the wind speed in front of the wind wheel in proportion to the ratio of the large and small holes of the confuser. This technical solution is not widely used. At the same time, one of the drawbacks was the need to increase the overall dimensions and weight of structural elements in the upper part of the towers. Including the necessary increase in the overall dimensions and weight of the vane device. Otherwise, the confuser itself will turn into a weather vane. All this leads to an increase in the instability of the structure as a whole, and during stormy winds to an unjustified increase in stiffness, and, as a result, an increase in the transverse dimensions of the tower. At the same time, the main advantages of winged wind turbines are almost completely eliminated - their simplicity of design and relatively low metal consumption.

Основным недостатком роторных ветродвигателей с вертикальной осью вращения является большое лобовое сопротивление при поочередном вращении каждой лопасти, нерабочей лопасти против направления ветра и примерно в два раза меньший коэффициент использования ветровой энергии.The main disadvantage of rotary wind turbines with a vertical axis of rotation is the large frontal resistance during the alternate rotation of each blade, a non-working blade against the direction of the wind, and approximately two times lower coefficient of utilization of wind energy.

Использование крана, установленного перед лопастью вращающейся против ветра (АС №1467248) вызывает необходимость применения для него или флюгерного устройства или отдельного силового привода для перемещения экрана против ветра. Такое техническое решение может быть использовано только для роторных ветродвигателей малой мощности. Для роторных ветродвигателей с вертикальной ось вращения большей мощности до 1 МВт и более, у которых высота ротора достигает нескольких десятков метров, применение управляющих заслонок вызывает значительные технические затруднения.The use of a crane installed in front of the blade rotating against the wind (AC No. 1467248) necessitates the use of either a vane device or a separate power drive for moving the screen against the wind. Such a technical solution can only be used for low-power rotor wind turbines. For rotor wind turbines with a vertical axis of rotation of greater power up to 1 MW or more, for which the rotor height reaches several tens of meters, the use of control dampers causes significant technical difficulties.

Кроме того, такие мощные ветродвигатели также как и крыльчатые обладают повышенной аварийностью при штормовых ветрах, перед которыми их рекомендуется разбирать. Это связано с большими затратами и потерей времени за счет вынужденного простоя, или следует стопорить их в положении наименьшего сопротивления. А штормовые ветра не всегда стабильны по направлению, а переустановка положения многометрового ротора при штормовом ветре не безопасна.In addition, such powerful wind turbines as well as winged ones have increased accident rate during storm winds, before which it is recommended to disassemble them. This is associated with high costs and loss of time due to forced downtime, or you should stop them in the position of least resistance. And storm winds are not always stable in direction, and reinstalling the position of a multi-meter rotor in a storm wind is not safe.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является конструкция ветродвигателя по АС №1268732 - прототип, который содержит ротор с горизонтальной ось вращения и два конфузора с заслонками, один из которых расположен выше оси вращения, а другой - с противоположной стороны ниже оси ротора для случая изменения направления ветра на 180°. При этом конфузоры можно надежно закрепить на земле, что обеспечивает безаварийность работы такого ветродвигателя при штормовых ветрах, решая одну из главных проблем ветроэнергетики. Кроме того, стационарными наземными конфузорами можно без каких либо технических сложностей увеличить скорость воздушного потока перед ветроколесом в десять и более раз. А увеличение скорости воздушного потока в десять раз, без учета потерь на трение воздуха в конфузоре, увеличивает мощность ветродвигателя в тысячу раз, поскольку при прочих равных условиях мощность зависит от скорости воздушного потока возведенной в третью степень (т.е. 10³). Даже при уменьшении омеваемой площади ротора в десять раз можно увеличить мощность ветродвигателя примерно в сто раз. Таким образом можно получить относительно компактный и мощный ветродвигатель, который может работать не только при штормовых ветрах, но и малоскоростных, решая важную задачу ветроэнергетики.The closest technical solution for the totality of signs is the design of a wind turbine according to AC No. 1268732 - a prototype that contains a rotor with a horizontal axis of rotation and two confusers with shutters, one of which is located above the axis of rotation, and the other from the opposite side below the axis of the rotor for case of change 180 ° wind direction. At the same time, confusers can be reliably fixed on the ground, which ensures trouble-free operation of such a wind turbine in stormy winds, solving one of the main problems of wind energy. In addition, stationary ground confusers can, without any technical difficulties, increase the speed of the air flow in front of the wind wheel by ten or more times. And a ten-fold increase in the air flow velocity, without taking into account losses due to air friction in the confuser, increases the power of the wind turbine by a thousand times, since, ceteris paribus, the power depends on the air flow velocity raised to the third degree (i.e. 10 ³ ). Even with a tenfold decrease in the area to be washed, the rotor’s power can be increased by about a hundred times. Thus, you can get a relatively compact and powerful wind turbine, which can work not only in stormy winds, but also low-speed, solving the important problem of wind energy.

Основным недостатком такого технического решения является то, что данные ветродвигатели могут эффективно работать там, где возможны The main disadvantage of this technical solution is that these wind turbines can work effectively where possible

только два направления воздушного потока - прямой и противоположный, например, в горном ущелье... берег моря.only two directions of air flow - direct and opposite, for example, in a mountain gorge ... the sea shore.

Для преобразования боковых по отношению к конфузорам ветров, возникающих на открытой местности, громоздкие конфузоры вместе с ротором необходимо разворачивать навстречу ветру с помощью специального привода, управляемого от датчиков направления ветра, что усложняет конструкцию ветродвигателя, увеличивает его стоимость, требует дополнительного источника энергии, например при внезапных изменениях направления ветра на 90°, дополнительного обслуживания. А при штормовых ветрах снижается безаварийность работы ветродвигателя.In order to convert winds arising in open areas that are lateral to confusers, bulky confusers together with the rotor must be turned towards the wind using a special drive controlled by wind direction sensors, which complicates the design of the wind turbine, increases its cost, requires an additional energy source, for example, when sudden changes in wind direction by 90 °, additional maintenance. And in stormy winds the trouble-free operation of the wind turbine is reduced.

Цель изобретения:The purpose of the invention:

- увеличение ветродвигателем вырабатываемой энергии, например, в 20 раз;- increase of generated energy by a wind turbine, for example, by 20 times;

- обеспечение безаварийной работы ветродвигателя при произвольном изменении направления ветровой нагрузки;- ensuring trouble-free operation of the wind turbine with an arbitrary change in the direction of the wind load;

- обеспечение надежности и работоспособности ветродвигателя и при штормовых ветрах.- ensuring the reliability and performance of the wind turbine and in stormy winds.

Поставленные цели и технический эффект изобретения достигается за счет того, что ветродвигатель содержит по крайне мере не менее трех конфузоров, установленных неподвижно вокруг роторного ветроколеса, а боковые поверхности каждого конфузора образованы плоскостями или криволинейными поверхностями, последние выполнены отрезками цилиндрических, спиралеобразных и отрезками других криволинейных поверхностей - касательными к цилиндрической поверхности ротора, а на заслонках выполнены, например, щелевые продольные отверстияThe goals and technical effect of the invention is achieved due to the fact that the wind turbine contains at least three confusers mounted motionless around the rotor wind turbine, and the side surfaces of each confuser are formed by planes or curved surfaces, the latter made by pieces of cylindrical, spiral-shaped and pieces of other curved surfaces - tangent to the cylindrical surface of the rotor, and slotted longitudinal holes, for example, are made on the shutters

На фиг.1 изображен роторный ветродвигатель - вид сверху. На фиг.2 дано сечение А-А фиг.1. на фиг.№3 и 4; дано сечение Б-Б фиг.2, на которых дано различное исполнение конфузоров - прямолинейных отрезков (фиг.3 и цилиндрического (радиусного типа) (фиг.4).Figure 1 shows a rotary wind turbine - top view. Figure 2 shows a section aa of figure 1. in Fig. No. 3 and 4; section BB is given in FIG. 2, which shows various designs of confusers — straight sections (FIG. 3 and cylindrical (radius type) (FIG. 4).

Роторный ветродвигатель содержит: ротор 1, ось которого установлена на подшипниковых опорах и кинематически связана с валом отбора мощности 2, вокруг ротора на опорах 3 установлены конфузоры 4, крышу 5 и содержит дно 6, выполненного в виде конической обечайки, два опорных кольца 7, с установленными в них на подшипниках осями 8, жестко соединенных со шкивами 9, которые кинематически связаны между собой гибкими связями 10, например, цепными или тросовыми, и червячной передачей 11, которая содержит электродвигатель (на чертеже не показан), заслонки 12, жестко соединенные с подвижными осями 8.The rotor wind turbine contains: a rotor 1, the axis of which is mounted on bearing bearings and kinematically connected to the power take-off shaft 2, confusers 4, a roof 5 are installed around the rotor on the supports 3, a roof 5 and contains a bottom 6 made in the form of a conical shell, two support rings 7, s axles 8 mounted thereon on bearings, rigidly connected to pulleys 9, which are kinematically connected by flexible links 10, for example, chain or cable, and a worm gear 11, which contains an electric motor (not shown), shutters 12, rigidly connected to the movable axles 8.

Роторный ветродвигатель работает следующим образом. При движении потока ветра, его кинетическая энергия преобразуется во вращательное движение ротора 1 и через вал отбора мощности 2 передается исполнительному механизму. При превышении скорости ветра выше расчетной величины от датчиков угловой скорости, установленного в цепи ротор-нагрузка, включается управляющий электродвигатель соединенный с червячной передачей 11, заслонки 12 поворачиваются на осях 8 и перекрывают отверстия щелевые между конфузорами 4, уменьшают поток воздуха к ротору 1 до тех пор пока частота вращения вала отбора мощности не сравняется с номинальной. А при уменьшении скоростного потока ветра процесс совершается в противоположном направлении от команды датчика угловой скорости.Rotary wind turbine operates as follows. When the wind flow moves, its kinetic energy is converted into rotational motion of the rotor 1 and transmitted to the actuator through the power take-off shaft 2. If the wind speed exceeds the calculated value from the angular velocity sensors installed in the rotor-load circuit, the control motor connected to the worm gear 11 is turned on, the shutters 12 rotate on the axes 8 and overlap the slotted holes between the confusers 4, reduce the air flow to the rotor 1 to those until the rotational speed of the power take-off shaft is equal to the nominal. And when the wind speed decreases, the process takes place in the opposite direction from the command of the angular velocity sensor.

Следует отметить, что на заслонках 12 выполнены продольные сквозные отверстия, которые позволяют пропускать минимальный скоростной поток воздуха, даже при штормовом ветре. Таким образом достигается стабилизация в определенных пределах частоты вращения исполнительного механизма.It should be noted that on the dampers 12 there are longitudinal through holes that allow the minimum flow of air to pass through, even with a gale. Thus, stabilization is achieved within certain limits of the rotational speed of the actuator.

В целях вынужденной остановки рортора 1 заслонки 12 полностью перекрывают отверстия конфузоров 4, а ротор вращается с частотой холостого хода, например, делает от 20 до 40 мин^-1 Если же скоростной For the purpose of the forced stop of the rotor 1, the shutter 12 completely covers the openings of the confusers 4, and the rotor rotates with an idle frequency, for example, makes from 20 to 40 min ^-1 If, however, high-speed

поток составляющей от 1 до 2 м/с при закрытых заслонках 12 - ротор 1 остановлен.component flow from 1 to 2 m / s with closed shutters 12 - rotor 1 is stopped.

Остановку вращения ротора 1 можно осуществить и за счет включения, например, колодочного тормоза на генераторе при закрытых заслонках 12.The rotation of the rotor 1 can also be stopped by switching on, for example, a shoe brake on the generator with the shutters 12 closed.

Необходимо заметить, что габариты ротора уменьшены в десять раз его диаметр равен 1 м, а высота Н 3 м. Тогда как известные карусельный, крыльчатый, роторный без конфузора имеют диаметр ротора 10 м, а высоту до 65 м.It should be noted that the dimensions of the rotor are reduced ten times, its diameter is 1 m, and the height H 3 m. Whereas the known rotary, winged, rotor without confuser have a rotor diameter of 10 m and a height of up to 65 m.

Экономическая эффективность.Economic efficiency.

Эффективная мощность предложенного роторного ветродвигателя при его малых габаритах (1 м × Н 3 м) увеличила с более чем в 20 раз по сравнению с крыльчатым ветродвигателем; по сравнению с обычным роторным ветродвигателем - в 40 раз; а по сравнению с карусельным - более чем 45 раз.The effective power of the proposed rotary wind turbine with its small dimensions (1 m × N 3 m) increased from more than 20 times in comparison with a winged wind turbine; in comparison with a conventional rotary wind turbine - 40 times; and compared with the carousel - more than 45 times.

Эффективная мощность нового роторного ветродвигателя растет за счет достижения максимального коэффициента усиления скорости ветра равного - 10, за счет профилирования поверхностей конфузоров (см. фиг.4), которые выполнены в форме спиралей, позволяющие еще и демпфировать при шквалистых порывах ветра. Данная форма конфузоров способствует концентрации ветровой энергии на периферийных участках ротора, увеличивая крутящий момент.The effective power of the new rotary wind turbine grows by achieving a maximum wind speed gain of 10 - due to the profiling of the surfaces of the confusers (see Fig. 4), which are made in the form of spirals, which also allow damping with squally gusts of wind. This form of confusers contributes to the concentration of wind energy in the peripheral parts of the rotor, increasing torque.

Роторный ветродвигатель остается работоспособным и при скоростях ветра менее 1 м/с, а с применением и включением заслонок и при штормовых ветрах.The rotary wind turbine remains operational even at wind speeds of less than 1 m / s, and with the use and inclusion of dampers in stormy winds.

Эффективность роторного ветродвигателя заключается еще и в том, что он, будучи установлен стационарно, не зависит от изменения направления ветра, и может быть установлен как в поле, на холме, в ущелье, на корабле, также на берегу моря, вырабатывая до 1500 Квт/ч энергии.The efficiency of a rotary wind turbine also lies in the fact that it, being installed permanently, does not depend on the change in the direction of the wind, and can be installed in a field, on a hill, in a gorge, on a ship, also on the seashore, generating up to 1500 kW / h of energy.

Роторный ветродвигатель предполагает возможность выработки избыточной энергии превосходящей потребную при скоростях ветра выше расчетной, которая может быть использована для полезных целей, например, в насосных установках для перекачки в накопительные баки воды, для привода пилорам, для получения электролизом водорода, выплавки алюминия, для подогрева воды в отопительных системах и... в других целях.A rotary wind turbine assumes the possibility of generating excess energy exceeding the required at wind speeds above the calculated one, which can be used for useful purposes, for example, in pumping units for pumping water into storage tanks, for driving sawmills, for producing hydrogen by electrolysis, for smelting aluminum, for heating water in heating systems and ... for other purposes.

Таким образом предложенная конструкция роторного ветродвигателя позволяет использовать силу ветра - чистый и возобновляемый источник энергии, решив одновременно четыре задачи современной ветроэнергетики, ограничивающее ее широкое применение:Thus, the proposed design of a rotary wind turbine allows the use of wind power - a clean and renewable energy source, having simultaneously solved four problems of modern wind energy, limiting its widespread use:

- обеспечить безаварийную работу роторных ветродвигателей, при штормовых ветрах и различных направлениях потоков ветра, за счет пространственной жесткости конструкции конфузоров;- to ensure trouble-free operation of rotor wind turbines, in case of gale-force winds and various directions of wind flows, due to the spatial rigidity of the confuser structure;

- обеспечить многократное расширение диапазона скоростей действующего ветра с использованием подшипников чистого качения по патенту RU 2232926;- to provide multiple expansion of the speed range of the current wind using clean rolling bearings according to patent RU 2232926;

- обеспечить увеличение эффективной мощности за счет уменьшения габаритов ветроколеса и всего роторного ветродвигателя:- to provide an increase in effective power by reducing the dimensions of the wind wheel and the entire rotor wind turbine:

- снизить стоимость 1 КВт энергии в 10 раз.- reduce the cost of 1 kW of energy by 10 times.

Claims

A rotor wind turbine comprising a rotor vertically mounted in bearing bearings, a power take-off shaft, confusers and confuser flaps, characterized in that the wind turbine comprises at least three confusers mounted stationary around the rotor wheel, and the side surfaces of each confuser are formed by planes or curved surfaces, the latter are made by segments of cylindrical, spiral-shaped and segments of other curved surfaces - tangent to the cylindrical surface rotor, and on the shutters are made, for example, slotted longitudinal holes.