WO2018088929A1 - Ветротурбинная установка - Google Patents

Ветротурбинная установка Download PDF

Info

Publication number
WO2018088929A1
WO2018088929A1 PCT/RU2017/000137 RU2017000137W WO2018088929A1 WO 2018088929 A1 WO2018088929 A1 WO 2018088929A1 RU 2017000137 W RU2017000137 W RU 2017000137W WO 2018088929 A1 WO2018088929 A1 WO 2018088929A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
wind
blades
wind turbine
scoop
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/000137
Other languages
English (en)
French (fr)
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 DE112017004377.8T priority Critical patent/DE112017004377B4/de
Publication of WO2018088929A1 publication Critical patent/WO2018088929A1/ru

Links

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

Definitions

  • 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.
  • 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 mounted at an acute angle to the outer edge of the radial type turbine blades, which form external wind flow channels that are tangent 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 fastened 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.
  • a wind turbine installation from patent RU 2488019 containing a stator with upper and lower bases, interconnected by vertical guide vanes oriented inward.
  • the stator is equipped with a rotor 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.
  • 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, the diameter of which is larger than the upper diameter of the cone of the rotor, 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 semi-axis is connected to the upper base by means of radial ribs installed inside the conical part of the upper base.
  • the closest analogue is a rotor wind turbine from patent document KZ 24451, containing a multi-cell scoop with cochlear wind receiving channels with immovable vertical blades, a rotor with quadrangular blades located at an angle to the direction of the wind, 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, rotate around its axis, through the rotor frame, located inside the yurt-like steel casing, which in turn is located inside the cochlear-shaped air intake.
  • blinds are provided - fuses that protect the structure from adverse weather conditions of nature (hurricanes, whirlwinds, etc.).
  • the rotor in this design is installed in such a way that its axis of rotation is perpendicular to the incoming air stream.
  • the rotor dimensions should be comparable with the dimensions of the scoop, which with significant sizes of the wind turbine leads to inoperability of the installation with strong gusts of wind, which confirmed by the presence of blinds that are installed to stop the operation of the device in strong winds.
  • 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.
  • 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 the residual energy of the wind flow coming out of the wind turbine.
  • the scoop of a wind turbine 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.
  • the wind flow entering the rotor interacts only with part of its upper surface, which does not ensure high efficiency of the installation.
  • the technical problem to which the invention is directed is the insufficient efficiency of known wind turbine plants.
  • the technical result of the claimed solution is to increase the efficiency of the installation for any duration, speed and direction of the wind.
  • the wind turbine installation includes 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 successive overlapping of each other with the formation of a vertical air duct, with the rotor mounted on a scoop and made communicating with it, the rotor housing contains outlet pipes, one end of each which communicates with the inner part of the rotor housing, and the free end is directed into the scoop duct.
  • the rotor blades can be mounted on a centrifugal impeller from the side of the inner surface of the housing and directed along the chords of the rotor housing. Stiffening ribs located at an angle to the horizontal plane with a slope towards the wind flow can be made on the scoop blades.
  • the stiffening ribs can be made on the inner sides and / or on the outer sides of the blades.
  • 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 affecting 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, then the speed of the wind flow affecting the centrifugal impeller is an order of magnitude higher than the speed of the wind flow entering the scoop.
  • the blades connected by stiffening ribs, overlapping and forming a vertically oriented duct, collectively act as a reducer in front of the generator instead of a standard reducer connecting the rotor to the generator, as in the closest analogue.
  • 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.
  • 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 pairing of the stiffeners with the blades.
  • the generator rotor is directly connected to the rotor 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 interstitial kinematic transmission scheme of rotation.
  • the claimed design which increases by an order of magnitude the speed of the wind flow interacting with the centrifugal impeller with respect to the speed of the wind blowing around the wind turbine installation, the latter is operable when low winds, including by returning the spent wind flow back to the wind turbine installation.
  • FIG. 1-5 depict:
  • FIG. 1 general view of a wind turbine installation
  • FIG. 2 vertical section of a wind turbine installation
  • FIG. 5 is a view G of a wind turbine installation.
  • a wind turbine installation with a vertical axis of rotation, it comprises 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 stiffening ribs 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 cross-sectional 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.
  • the estimated speed of the wind flow acting on the centrifugal impeller is calculated as follows:
  • 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 a vertical duct, which exists 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.
  • the stiffening ribs 5 are curved upward so that the angle of inclination towards the wind tends to zero to the horizontal, and the angle of inclination of the end of the rib at the interface with the vertical duct is determined in the range 60 ° ⁇ a ⁇ 90 ° to the horizontal with the aim twisting 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • the number of outlet pipes 3 corresponds to the number of blades 4 or less by a multiple of times.
  • 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.
  • Each scoop blade 4 is fixedly mounted and can be a part of the side surface of the 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.
  • the blades 4 are made streamlined aerodynamic shape and are installed at an equal distance from each other.
  • stiffening ribs 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.
  • the housing 2 of the rotor 1 contains a wall and a top cover, preventing negative interaction of the blown wind and loss of energy wind potential.
  • the lower part of the housing 1 is made open so that the housing 1 is in communication with the duct.
  • the device operates as follows.
  • 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.
  • the principle of operation of the inventive wind turbine installation can be used to release moisture from the air - the reason for the drop in pressure and temperature during accelerated movement of air inside the vertical duct, as well as for cooling hot water in cooling towers.

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

Изобретение относится к ветряным двигателям. Ветротурбинная установка содержит ротор (1), выполненный в виде центробежной крыльчатки с лопатками и установленный в корпусе (2), и ветроуловитель, выполненный в виде вертикально ориентированных изогнутых в сторону ветропотока лопастей (4), смещённых относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием вертикального воздуховода. Ротор (1) установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним. Корпус (2) ротора (1) содержит выходные патрубки (6), верхние концы которых сообщаются с внутренней частью корпуса (2) ротора (1), а свободные концы направлены в воздуховод ветроуловителя. Технический результат заключается в повышении эффективности при любых продолжительности, скорости и направлении ветра.

Description

ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
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 надёжное электроснабжение.
Известна ветротурбинная установка из патента RU 2286477, содержащая ротор, размещённый внутри корпуса с возможностью вращения в нём. 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 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 опёрт на обтекатель, который жёстко скреплён 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.
Известна также ветротурбинная установка из патента RU 2488019, содержащая статор с верхним и нижним основаниями, соединёнными между собой вертикальными направляющими лопастями, ориентированными внутрь. В статоре размещён ротор, снабжённый 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 рёбер, установленных внутри конической части верхнего основания.
Однако такие установки обладают недостаточной эффективностью, поскольку не обеспечивают повторного использования остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.
Наиболее близким аналогом является роторная ветроустановка из патентного документа KZ 24451 , содержащая многоячеистый ветроуловитель с улиткообразными каналами приёма ветра с недвижимыми вертикальными лопатками, ротор с четырёхугольными лопастями, расположенными под углом к направлению ветра, закреплёнными 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 определённым углом атаки к направлению ветра, начинает вращаться вокруг своей оси, посредством рамы ротора, находящиеся 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.).
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.
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 её эксплуатации является низкой из-за того, что конструкция не обеспечивает повторное использование остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.
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.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является недостаточная эффективность известных ветротурбинных установок.
Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности установки при любых продолжительности, скорости и направлении ветра.
Технический результат достигается за счёт 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, смещённые относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, причём 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.
Лопатки ротора могут быть закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора. На лопастях ветроуловителя могут быть выполнены рёбра жёсткости, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока.
Рёбра жёсткости могут быть выполнены на внутренних сторонах и/или на внешних сторонах лопастей.
За счёт 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 счёт 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 счёт 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.
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.
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, соединённым 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, соединённые рёбрами жёсткости, выполненные внахлёст и образующие вертикально ориентированный воздуховод, в совокупности выполняют функцию редуктора перед генератором вместо типового редуктора, соединяющего ротор с генератором, как в наиболее близком аналоге.
Отсутствие необходимости выполнения ротора по всей высоте установки упрощает конструкцию ветротурбиннои установки, повышает её надёжность 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.
Основной путь повышения производительности - увеличение высоты ветротурбинной установки с сохранением устойчивости и прочности конструкции, что обеспечивается продолжительностью нахлёста лопастей друг на друга и величиной длин сопряжения рёбер жесткости с лопастями.
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 соединён 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.
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.
Частный случай реализации изобретения поясняется с помощью фиг. 1-5, на которых изображено:
на фиг. 1 - общий вид ветротурбинной установки;
на фиг. 2 - вертикальный разрез ветротурбинной установки;
на фиг. 3 - разрез А-А ветротурбинной установки;
на фиг. 4 - сечение Б-Б ветротурбинной установки;
на фиг. 5 - вид Г ветротурбинной установки.
На фиг. 1-5 позициями 1-6 обозначены:
1 - ротор;
2 - корпус;
3 - выходной патрубок;
4 - лопасть;
5 - ребро жёсткости;
6 - лопатка.
В частном случае выполнения ветротурбинная установка с вертикальной осью вращения содержит ротор 1 , выполненный в виде центробежной крыльчатки, расположенной в корпусе 2, снабжённый 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 внахлёст с образованием единого вертикального щелевого воздуховода с рёбрами жёсткости 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 её поверхности до прямого угла к продолжению траектории расположения рёбер жёсткости 5 ветроуловителя.
Аналогом соотношения размеров габаритов ветротурбинной установки визуально могут служить соотношения размеров дымовых труб: диаметр к высоте.
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.
В этом случае ориентировочная скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, вычисляется следующим образом:
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.
С учётом потерь на трение и изменение траектории ветропотока в ветротурбинной установке его скорость воздействия на центробежную крыльчатку на порядок выше скорости на входе в ветроуловитель.
В заявляемой ветротурбинной установке изогнутые плоскости лопастей 4 могут быть выполнены в виде решётчатых каркасов из труб прямоугольного сечения, обшитых с обоих 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.
С целью повышения эффективности возможна установка гибких солнечных батарей на внутреннюю вогнутую поверхность лопастей 4.
Рёбра жёсткости 5 по длине выгнуты вверх таким образом, что угол их наклона в сторону ветра стремится к нулевому значению к горизонтали, а угол наклона а конца ребра в месте сопряжения с вертикальным воздуховодом определяется в интервале 60 ° < а < 90 ° к горизонтали с целью закручивания ветропотока в вертикальном воздуховоде. Ребра жёсткости 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 жёсткую конструкцию, зафиксированную вверху ветротурбинной установки общим фланцем неподвижного корпуса 2 центробежной крыльчатки, а низ лопастей 4 неподвижно зафиксирован к бетонному фундаменту анкерными болтами.
Верхний угол выступающей части лопатки 6 в сторону оси вращения загнут по её диагонали к продолжению траектории установки рёбер жесткости 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.
Количество выходных патрубков 3 соответствует количеству лопастей 4 или меньше в кратное число раз.
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.
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.
Лопасти 4 выполнены обтекаемой аэродинамической формы и установлены на равном расстоянии друг от друга. На лопастях 4 ветроуловителя могут быть выполнены рёбра жесткости 5, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока. Рёбра жесткости 5 могут быть выполнены на внутренних и/или на внешних сторонах лопастей 1 , что дополнительно повышает жёсткость и аэродинамику устройства, повышая эффективность работы установки. Лопатки 6 центробежной крыльчатки могут быть продлены к оси ее вращения с плавным изменением от вертикали её поверхности до прямого угла, к продолжению траектории расположения рёбер жесткости 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.
Устройство работает следующим образом.
При попадании порыва ветра на ветроуловитель с наклонными рёбрами жёсткости 5 образуется восходящий поток воздуха, проходящий по закрученной траектории вертикального воздуховода на лопатки 6 центробежной крыльчатки ротора 1 , расположенным 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.
Предлагаемая конструкция ветротурбинной установки является работоспособной и энергоэффективной при любых продолжительности и скорости ветра, обеспечивает существенное снижение затрат на электричество при ее использовании.
Принцип действия заявляемой ветротурбинной установки может быть использован для выделения влаги из воздуха - причине падения давления и температуры при ускоренном перемещении воздуха внутри вертикального воздуховода, а также для охлаждения горячей воды в градирнях.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
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, смещённые относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, причём 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.
2. Ветротурбинная установка по п. 1 , характеризующаяся тем, что лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора.
3. Ветротурбинная установка по п. 1 , характеризующаяся тем, что на лопастях ветроуловителя выполнены рёбра жесткости, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока.
4. Ветротурбинная установка по п. 3, характеризующаяся тем, что ребра жёсткости выполнены на внутренних сторонах лопастей.
5. Ветротурбинная установка по п. 3, характеризующаяся тем, что ребра жёсткости выполнены на внешних сторонах лопастей.
6. Ветротурбинная установка по п. 3, характеризующаяся тем, что ребра жёсткости выполнены на внутренних и на внешних сторонах лопастей.
PCT/RU2017/000137 2016-11-09 2017-03-17 Ветротурбинная установка WO2018088929A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112017004377.8T DE112017004377B4 (de) 2016-11-09 2017-03-17 Windturbinenanlage

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143777A RU2638120C1 (ru) 2016-11-09 2016-11-09 Ветротурбинная установка
RU2016143777 2016-11-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018088929A1 true WO2018088929A1 (ru) 2018-05-17

Family

ID=60718666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000137 WO2018088929A1 (ru) 2016-11-09 2017-03-17 Ветротурбинная установка

Country Status (3)

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

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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 (ru) * 2001-11-06 2003-09-10 Кирсанов Александр Викторович Безредукторный ветроагрегат
RU2285149C2 (ru) * 2004-06-16 2006-10-10 Станислав Иванович Гусак Вихревая ветроэнергетическая установка "ялынка"
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 (ru) 2004-11-23 2006-10-27 Дальневосточный государственный технический университет Ветротурбинная установка
KR101383849B1 (ko) 2004-12-23 2014-04-10 카트루 에코-에너지 그룹 피티이. 엘티디. 전방향식 풍력 터빈
US20100278629A1 (en) 2005-12-29 2010-11-04 Krippene Brett C Vertical Multi-Phased Wind Turbine System
DE102007049590A1 (de) 2007-10-15 2009-04-16 Emmanuel Ouranos Drei- oder vierblättrige Vertikal-Windturbinen, mit oder ohne darüber angebrachtem Kollektor
MY164584A (en) 2009-02-24 2018-01-15 Univ Malaya Wind, solar and rain harvester
JP2011106429A (ja) 2009-11-20 2011-06-02 Honda Motor Co Ltd 風力発電装置
US8476783B2 (en) 2010-08-13 2013-07-02 Chung-Yuan Christian University Wind energy generator using piezoelectric material and auxiliary mechanism thereof
DE102011108512B4 (de) 2011-07-26 2015-03-26 Peter Borgsmüller Windkraftanlage
RU2488019C1 (ru) 2011-11-29 2013-07-20 Анатолий Викторович Леошко Ветротурбинная установка
DE102012010576B4 (de) 2012-05-16 2020-03-12 Forkert Technology Services Gmbh Windkraftmaschine mit Drehachse im Wesentlichen rechtwinklig zur Windrichtung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2211950C2 (ru) * 2001-11-06 2003-09-10 Кирсанов Александр Викторович Безредукторный ветроагрегат
RU2285149C2 (ru) * 2004-06-16 2006-10-10 Станислав Иванович Гусак Вихревая ветроэнергетическая установка "ялынка"
WO2016142704A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Gordon Bell Air capture turbine

Also Published As

Publication number Publication date
DE112017004377B4 (de) 2022-09-08
RU2638120C1 (ru) 2017-12-11
DE112017004377T5 (de) 2019-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8459930B2 (en) Vertical multi-phased wind turbine system
US4915580A (en) Wind turbine runner impulse type
KR101383849B1 (ko) 전방향식 풍력 터빈
US7753644B2 (en) Vertical multi-phased wind turbine system
US8128337B2 (en) Omnidirectional vertical-axis wind turbine
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 (ko) 건축물과 결합된 풍력 발전기
JP2012107612A (ja) 風洞体、垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置、ならびに建築物
US9273665B1 (en) Dual wind energy power enhancer system
US11156204B2 (en) Wind turbine
US20150361953A1 (en) Horizontally channeled vertical axis wind turbine
RU2638120C1 (ru) Ветротурбинная установка
RU2531478C2 (ru) Ветровая турбина
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 (ru) Роторная ветроэлектростанция
KR20090040190A (ko) 빌딩형 풍력 발전 시스템,
RU2805549C1 (ru) Ветротурбинная установка
WO2011061558A1 (en) Omnidirectional wind turbine for power generation
RU2157920C2 (ru) Ветроэлектростанция
WO2022260382A1 (ko) 흡기실과 배기실을 구비한 수직축 풍력발전기
RU2204051C2 (ru) Ветроустановка

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17870132

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17870132

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1