RU2173790C2 - Windmill-electric generating plant with diffuser (alternatives), method for protecting it against destructive atmospheric actions, and method for setting up windmill-electric generating plant using energy of compressed air - Google Patents

Abstract

FIELD: wind-power engineering; heavy-power windmills. SUBSTANCE: plant with diffuser has windwheel mounted along horizontal axis of revolution that carries hollow blades, air intakes controlled by electric generator, and air turbine. Novelty is that diffuser is flexible structure and that inner spaces of blades are made in the form of helical ducts; diffuser is mounted on floats coupled with supports; novelty in method for protecting plant against destructive atmospheric actions by reducing area or contact between plant and wind flow it that windmill-electric generating plant is immersed in liquid medium, ; novelty in plant setting up using energy of compressed air is provision for flexible diffuser wherein air is injected under higher- than-atmospheric pressure by forced rotation of windwheel in reverse-to- working direction. EFFECT: enhanced reliability of plant protection against atmospheric actions, simplified design, increased power output. 8 cl, 15 dwg

Description

Ветроэнергетическое устройство с диффузором (варианты), способ предохранения его от разрушающего воздействия атмосферных явлений и способ развертывания с использованием энергии сжатого воздуха относятся к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. A wind power device with a diffuser (options), a method of protecting it from the damaging effects of atmospheric phenomena, and a deployment method using compressed air energy are high power wind engines for using wind power and generating electrical energy.

Уровень техники
Известно ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее ветроколесо, горизонтальную ось вращения, лопасти, имеющие внутренние полости и воздухозаборники (продольные щели), воздушную турбину и электрогенератор. При вращении ветроколеса в продольных каналах лопастей за счет центробежных сил создается разрежение (пониженное давление) обеспечивающее течение потока воздуха через турбину, вращающую электрогенератор, по полостям в лопастях от оси вращения к периферии с выходом в атмосферу [1, с. 53-54, рис. 43, 2с]. В таких конструкциях энергия потока воздуха, проходящего по продольным полостям, не используется для увеличения жесткости лопасти на скручивание вокруг ее продольной оси.State of the art
A wind power device with pneumatic power transmission is known, comprising a wind wheel, a horizontal axis of rotation, blades having internal cavities and air intakes (longitudinal slots), an air turbine and an electric generator. When the wind wheel rotates in the longitudinal channels of the blades due to centrifugal forces, a rarefaction (reduced pressure) is created that ensures the air flow through the turbine rotating the electric generator along the cavities in the blades from the axis of rotation to the periphery with the release into the atmosphere [1, p. 53-54, fig. 43, 2s]. In such structures, the energy of the air flow passing through the longitudinal cavities is not used to increase the stiffness of the blade by twisting around its longitudinal axis.

Известны ветродвигатели с диффузором и ветроколесом, в которых лопасти консольно закреплены в центральной втулке, расположенной на оси вращения вместе с подшипником, механизмом изменения угла установки лопастей, системой передачи вращающего момента, редуктором и генератором [2, с. 134]. Такая конструкция обуславливает большие изгибающие моменты в лопастях ветроколеса, особенно в месте их крепления к втулке, накладывает ограничение на диаметр ветроколеса, обуславливает высокую удельную стоимость лопастей ветроэнергетических устройств. Большая масса ветроколеса создает при вращении большие силы инерции, что затрудняет его быструю остановку без повреждений. В связи с большими габаритами и массой диффузора не обеспечивается полное укрытие ветроэнергетической установки от разрушающего воздействия атмосферных явлений (ураганного ветра, града) и обстрела и т.п. По тем же причинам возникает проблема сейсмостойкости ветроэнергетического устройства, размещенного на суше, трудно осуществить перемещение ветроэнергетического устройства на значительные расстояния. Known wind motors with a diffuser and a wind wheel, in which the blades are cantilevered in a central bushing located on the axis of rotation together with the bearing, a mechanism for changing the blade angle, a torque transmission system, gearbox and generator [2, p. 134]. This design causes large bending moments in the blades of the wind wheel, especially in the place of their attachment to the sleeve, imposes a limitation on the diameter of the wind wheel, and causes a high unit cost of the blades of wind energy devices. The large mass of the wind wheel creates large inertia forces during rotation, which makes it difficult to quickly stop without damage. Due to the large dimensions and mass of the diffuser, the wind power installation is not completely covered from the damaging effects of atmospheric phenomena (hurricane wind, hail) and shelling, etc. For the same reasons, there arises the problem of seismic resistance of a wind power device located on land, it is difficult to move the wind power device over significant distances.

Во всех прототипах конструкция ветроколеса не обеспечивает регулирование лопасти во всех ее угловых положениях. Т.е. невозможно компенсировать изменение условий работы лопасти при изменении ее положения в поле сил тяжести земли и в связи с неравномерностью распределения скоростей воздушного потока по высоте. In all prototypes, the design of the wind wheel does not provide for the adjustment of the blade in all its angular positions. Those. it is impossible to compensate for changes in the working conditions of the blade when changing its position in the field of gravity of the earth and due to the uneven distribution of the air velocity along the height.

Также известны способ предохранения ветроэнергетического устройства и способ развертывания с использованием энергии сжатого воздуха, которые приводят к усилению защиты ветроэнергетического устройства [3]. Also known is a method of protecting a wind energy device and a deployment method using compressed air energy, which leads to enhanced protection of the wind energy device [3].

Сущность изобретения
Целью изобретения является создание ветроэнергетического устройства большой единичной мощности с диффузорным усилителем большой длины, регулирование величины конусности диффузора, снижение стоимости диффузорного усилителя, защита ветроэнергетического устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений в виде ураганных ветров, молний, града и т.п., а также от сейсмических воздействий и повреждений при обстрелах. Целью данного изобретения ставится также обеспечение перемещения ветроэнергетического устройства большой мощности за счет энергии ветра. Снижение требований к жесткости лопастей.SUMMARY OF THE INVENTION
The aim of the invention is the creation of a wind power device of large unit power with a diffuser amplifier of large length, regulation of the cone size of the diffuser, reduction of the cost of the diffuser amplifier, protection of the wind power device from the damaging effects of atmospheric phenomena in the form of hurricane winds, lightning, hail, etc., as well as from seismic effects and damage during shelling. The purpose of this invention is also the provision of moving a wind power device of high power due to wind energy. Reduced blade stiffness requirements.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - общий вид (продольный разрез) ветроэнергетического устройства на виде сбоку. FIG. 1 is a general view (longitudinal section) of a wind power device in a side view.

Фиг. 2 - общий вид (продольный разрез) ветроэнергетического устройства на виде сверху. FIG. 2 is a general view (longitudinal section) of a wind power device in a plan view.

Фиг. 3 - общий вид килевых устройств и лебедок ветроэнергетического устройства на виде сбоку. FIG. 3 is a side view of keel devices and winches of a wind power device.

Фиг. 4 - общий вид (поперечный разрез) ветроэнергетического устройства на виде со стороны ветрового потока. FIG. 4 is a general view (cross section) of a wind power device in a view from the side of the wind flow.

Фиг. 5 - крепление ветроэнергетического устройства на свае, укрепленной в грунте. FIG. 5 - fastening of a wind power device on a pile reinforced in the ground.

Фиг. 6 - продольный разрез жесткого диффузора ветроэнергетического устройства на виде сбоку. FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a hard diffuser of a wind power device in a side view.

Фиг. 7 - схема размещения обода и периферийных генераторов в жестком диффузоре. FIG. 7 shows a layout of a rim and peripheral generators in a rigid diffuser.

Фиг. 8 - лопасти ветроколеса в жестком диффузоре на виде со стороны ветрового потока. FIG. 8 - wind wheel blades in a rigid diffuser in a view from the side of the wind flow.

Фиг. 9 - продольное сечение горизонтальной оси. FIG. 9 is a longitudinal section of a horizontal axis.

Фиг. 10 - развертка продольных винтовых каналов лопасти. FIG. 10 - scan of the longitudinal helical channels of the blade.

Фиг. 11 - воздушный распределитель в поперечном сечении горизонтальной оси. FIG. 11 - air distributor in cross section of a horizontal axis.

Фиг. 12 - ветроэнергетическое устройство в подводном положении. FIG. 12 - wind power device in underwater position.

Фиг. 13 - ветроэнергетическое устройство в транспортном положении на виде сбоку. FIG. 13 - wind power device in the transport position in side view.

Фиг. 14 - ветроэнергетическое устройство в транспортном положении на виде сверху. FIG. 14 - wind power device in a transport position in a plan view.

Фиг. 15 - устройство при движении под углом к ветру. FIG. 15 - device when moving at an angle to the wind.

Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с гибким диффузором размещено на базовом водоизмещающем судне 1 (фиг. 1), боковых поплавках 2 и задних поплавках 3 (фиг. 2). Боковые поплавки 2 и задние поплавки 3 выполнены в виде полых, герметичных камер с регулируемым балластным грузом 4, например водой и управляемыми поворотными килевыми устройствами 5 (фиг. 3). Поворотные килевые устройства 5 обеспечивают требуемую ориентацию поплавков 2 и 3 относительно базового судна 1 при течении воды и движении устройства в воде. Для преодоления лобового сопротивления воды и управления положением поплавков 2 и 3 относительно базового судна 1, а также для преобразования энергии движущейся воды в электрическую энергию на килевых устройствах 5 установлены электродвигатели 6 с гребными винтами 7. На верхней палубе 8 базового судна 1 имеется жесткий диффузор 9, который размещен на поворотной платформе 10 (фиг. 2). Поворотная платформа 10 служит для вращения относительно корпуса базового судна 1 и направления ветра. Поворот жесткого диффузора 9 в горизонтальной плоскости осуществляется приводом 11 поворотной платформы 10 по команде оператора или системы автоматического управления (на схеме не показана). В целях укрытия ветроколеса под водой, базовое судно 1 выполнено герметичным и оснащено балластными цистернами 12, позволяющими изменять осадку судна вплоть до полного погружения под воду на глубину, равную высоте базового судна 1 и жесткого диффузора 9. The proposed wind power device with a flexible diffuser is located on the base displacement vessel 1 (Fig. 1), side floats 2 and rear floats 3 (Fig. 2). Side floats 2 and rear floats 3 are made in the form of hollow, sealed chambers with adjustable ballast weight 4, for example water and controllable rotary keel devices 5 (Fig. 3). Rotary keel devices 5 provide the required orientation of the floats 2 and 3 relative to the base vessel 1 during the flow of water and the movement of the device in the water. To overcome the drag of water and control the position of the floats 2 and 3 relative to the base vessel 1, as well as to convert the energy of moving water into electrical energy, electric motors 6 with propellers 7 are installed on the keel devices 5. There is a rigid diffuser 9 on the upper deck 8 of the base vessel 1 which is placed on the turntable 10 (Fig. 2). The turntable 10 serves to rotate relative to the hull of the base vessel 1 and the direction of the wind. The rotation of the rigid diffuser 9 in the horizontal plane is carried out by the drive 11 of the turntable 10 at the command of the operator or automatic control system (not shown in the diagram). In order to shelter the wind wheel under water, the base vessel 1 is airtight and equipped with ballast tanks 12, allowing you to change the draft of the vessel until it is completely submerged to a depth equal to the height of the base vessel 1 and the rigid diffuser 9.

К жесткому диффузору 9 по его периметру крепится гибкий диффузор 13, представляющий собой, например прозрачное гибкое полотнище. Для более эффективного использования солнечной энергии, гибкий диффузор 13 может быть выполнен из материалов, обеспечивающих одностороннюю проводимость тепловой и световой энергии солнечного излучения извне к воздуху, находящемуся под гибким диффузором 13. Прозрачность гибкого диффузора 13 и односторонняя проводимость тепловой и световой энергии обеспечивают прохождение солнечной энергии (излучения) под него и дополнительный подогрев воздуха, приводящий к увеличению давления воздуха под гибким диффузором. Боковые кромки 14 (фиг. 4) гибкого диффузора 13 присоединены к боковым поплавкам 2 таким образом, чтобы отсутствовал воздушный зазор между гибким диффузором 13 и боковыми поплавками 2. При нахождении боковых поплавков 2 в воде гибкий диффузор 13 и поверхность воды образуют расширяющуюся полость. Задняя кромка 15 гибкого диффузора 13 прикреплена к верхнему сектору 16 жесткого диффузора 9. Верхняя часть 17 гибкого диффузора 19, по одному из вариантов исполнения, выполнена из материалов, прозрачных для световой и тепловой энергии, поступающей извне. Верхняя часть 17 гибкого диффузора 13 удерживается в воздухе за счет повышенного давления во внутренней полости 18, создаваемого набегающим потоком воздуха. Для исключения (уменьшения) потерь (утечки) давления (воздуха) из внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 между нижним сектором 19 жесткого диффузора 9 и задним поплавком 3 установлено дополнительное полотнище 20. Задние кромки 21 дополнительного полотнища 20 крепятся к нижнему сектору 19 жесткого диффузора 9, а его передние кромки 22 соединены с задним поплавком 3. Боковые кромки 23 дополнительного полотнища 20 соединены с гибким диффузором 13. В целях рационального использования тепла, поступающего в виде солнечного излучения через прозрачную верхнюю часть 17 гибкого диффузора 13, между задними 3 и боковыми поплавками 2 параллельно поверхности воды может быть закреплена нижняя оболочка 24. В качестве нижней оболочки 24 используется термоизоляционный материал с необходимыми теплопоглощающими и теплоотражающими свойствами. A flexible diffuser 13 is attached to the rigid diffuser 9 along its perimeter, which is, for example, a transparent flexible panel. For more efficient use of solar energy, the flexible diffuser 13 can be made of materials that provide one-sided conductivity of thermal and light energy of solar radiation from the outside to the air under the flexible diffuser 13. The transparency of the flexible diffuser 13 and the one-sided conductivity of heat and light energy provide the passage of solar energy (radiation) under it and additional heating of the air, leading to an increase in air pressure under the flexible diffuser. The lateral edges 14 (Fig. 4) of the flexible diffuser 13 are connected to the side floats 2 so that there is no air gap between the flexible diffuser 13 and the side floats 2. When the side floats 2 are in water, the flexible diffuser 13 and the water surface form an expanding cavity. The trailing edge 15 of the flexible diffuser 13 is attached to the upper sector 16 of the rigid diffuser 9. The upper part 17 of the flexible diffuser 19, according to one embodiment, is made of materials transparent to light and thermal energy from the outside. The upper part 17 of the flexible diffuser 13 is held in the air due to the increased pressure in the inner cavity 18 created by the incoming air flow. To eliminate (reduce) losses (leakage) of pressure (air) from the inner cavity 18 of the flexible diffuser 13 between the lower sector 19 of the rigid diffuser 9 and the rear float 3, an additional panel 20. A trailing edge 21 of the additional panel 20 is attached to the lower sector 19 of the rigid diffuser 9 and its front edges 22 are connected to the rear float 3. The lateral edges 23 of the additional panel 20 are connected to a flexible diffuser 13. In order to rationally use the heat received in the form of solar radiation through a transparent hnyuyu flexible portion 17 of the diffuser 13 between the rear 3 and side 2 floats parallel to the water surface of the lower shell 24 can be secured as the lower shell 24, thermal insulation material used with the required heat-absorbing and heat-reflecting properties.

Для удержания ветроэнергетического устройства под действием воздушного напора и течения воды, а также для регулирования высоты гибкого диффузора 13, его передняя кромка 25 соединена передними тросами 26 через свободные шкивы 27 на свае 28, закрепленной в подводном грунте 29 (фиг. 5), с лебедками 30 передних тросов 26, которые размещены на базовом судне 1. С той же целью боковые 2 и задние 3 поплавки соединяются нижними тросами 31 через свободные шкивы 27 с опорами, расположенными, например, на той же свае 28 с лебедками 32 нижних тросов 31 на базовом судне 1. Длина передних 26 и нижних тросов 31 изменяется намоткой на лебедки 30 передних тросов 26 и лебедки 32 нижних тросов 31, которые размещены на базовом судне 1. To hold the wind power device under the influence of air pressure and the flow of water, as well as to adjust the height of the flexible diffuser 13, its front edge 25 is connected by the front cables 26 through free pulleys 27 on the pile 28 fixed in the underwater soil 29 (Fig. 5), with winches 30 front cables 26, which are located on the base vessel 1. For the same purpose, the side 2 and rear 3 floats are connected by lower cables 31 through free pulleys 27 with supports located, for example, on the same pile 28 with winches 32 of the lower cables 31 on the base vessel 1. D the length of the front 26 and lower cables 31 is changed by winding onto the winch 30 of the front cables 26 and the winch 32 of the lower cables 31, which are located on the base vessel 1.

Боковые поплавки 2 также соединены между собой с помощью поперечных тросов 33, длиной которых регулируется дистанция между боковыми поплавками 2 и соответственно величина конусности гибкого диффузора 13. Длина поперечных тросов 33 регулируется путем намотки на поперечные лебедки 34, которые размещены на боковых поплавках 2 (фиг. 4). The side floats 2 are also interconnected by means of transverse cables 33, the length of which controls the distance between the side floats 2 and, accordingly, the taper of the flexible diffuser 13. The length of the transverse cables 33 is regulated by winding onto the transverse winches 34, which are placed on the side floats 2 (Fig. 4).

В жестком диффузоре 9 на радиальных неподвижных стойках 35 (фиг. 6) установлен осевой подшипник 36 с полой горизонтальной осью 37. Осевой подшипник 36 вместе с полой горизонтальной осью 37 может перемещаться вдоль общей горизонтальной оси относительно стоек 35 и фиксироваться в заданном положении. Горизонтальная ось 37 приводится во вращение вокруг своей оси электроприводом 38 (фиг. 9) по командам системы автоматического управления ветроколеса. In the rigid diffuser 9, an axial bearing 36 with a hollow horizontal axis 37 is mounted on the radial stationary racks 35 (Fig. 6). The axial bearing 36 together with the hollow horizontal axis 37 can be moved along a common horizontal axis relative to the racks 35 and fixed in a predetermined position. The horizontal axis 37 is driven into rotation around its axis by an electric drive 38 (Fig. 9) according to the instructions of the automatic control system of the wind wheel.

Ветроколесо содержит обод 39 с горизонтальной осью вращения, вращающийся на ведомых колесах 40 и свободных роликах 41, равномерно расположенных по внутреннему периметру жесткого диффузора 9. (фиг. 7). С целью уменьшения лобового сопротивления воздушному потоку, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41 размещены во внутренней полости 42 жесткого диффузора 9. Для устойчивого положения обода 39 под действием ветровой нагрузки, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41 расположены с противоположных сторон по периметру поперечного сечения обода 39. Ведомые колеса 40, контактирующие с ободом 39, расположены на периферийных валах 43. Периферийные валы 43 соединяют ведомые колеса 40 с периферийными синхронными генераторами 44, которые преобразуют механическую энергию ветроколеса в электрическую энергию. Периферийные синхронные генераторы 44 системой управления могут отключаться и подключаться к нагрузке как параллельно, так и последовательно. Равномерное распределение синхронных генераторов 44 по всему периметру обода 39 обеспечивает его равномерную нагрузку моментами сопротивления вращению со стороны синхронных генераторов 44, что в свою очередь уменьшает требования к жесткости обода 39, позволяет уменьшить его массу. The wind wheel contains a rim 39 with a horizontal axis of rotation, rotating on driven wheels 40 and free rollers 41, evenly spaced along the inner perimeter of the rigid diffuser 9. (Fig. 7). In order to reduce drag, the driven wheels 40 and free rollers 41 are located in the inner cavity 42 of the hard diffuser 9. For a stable position of the rim 39 under the influence of wind load, the driven wheels 40 and free rollers 41 are located on opposite sides along the perimeter of the cross section of the rim 39. The driven wheels 40 in contact with the rim 39 are located on the peripheral shafts 43. The peripheral shafts 43 connect the driven wheels 40 to the peripheral synchronous generators 44, which transform mechanically th propeller energy into electrical energy. The peripheral synchronous generators 44 by the control system can be disconnected and connected to the load both in parallel and in series. The uniform distribution of synchronous generators 44 around the entire perimeter of the rim 39 provides its uniform load with moments of resistance to rotation from the side of the synchronous generators 44, which in turn reduces the stiffness requirements of the rim 39, and reduces its mass.

Для торможения ветроколеса в целях управления его скоростью и в экстренных ситуациях служат тормозные прокладки 45, которые обеспечивают торможение обода 39 при контакте с боковыми поверхностями внутреннего ребра жесткости 46 обода 39. (фиг. 7)
Лопасти 47 ветроколеса выполнены из жестких, полужестких или гибких воздухонепроницаемых материалов, например листовой стали, и содержат продольные каналы 48 для прохождения воздушных потоков. Продольные каналы 48 (фиг. 8) выполнены в виде изолированных друг от друга каналов винтовой формы. Направление продольных каналов 48 (по часовой стрелке или против часовой стрелки) противоположно направлению скручивания лопасти 47 от реакции ветрового потока таким образом, чтобы под воздействием воздушного напора в продольных каналах 48 возникали деформации скручивания вокруг продольной оси данной лопасти 47. Для регулирования давления и скорости воздушного напора внутренние полости продольных каналов 48 содержат регулируемые дроссели 49 (фиг. 10), управляемые системой автоматического управления. Наличие нескольких дросселей 49 вдоль каждого продольного канала 48 позволяет осуществлять регулирование давления и скорости воздуха по длине продольных каналов 48.To brake the wind wheel in order to control its speed and in emergency situations, brake pads 45 are used, which provide braking of the rim 39 when in contact with the side surfaces of the inner stiffener 46 of the rim 39. (Fig. 7)
The blades 47 of the wind wheel are made of rigid, semi-rigid or flexible airtight materials, such as sheet steel, and contain longitudinal channels 48 for air flow. The longitudinal channels 48 (Fig. 8) are made in the form of helical channels isolated from each other. The direction of the longitudinal channels 48 (clockwise or counterclockwise) is opposite to the direction of twisting of the blade 47 from the reaction of the wind flow so that under the influence of air pressure in the longitudinal channels 48 there are twisting strains around the longitudinal axis of this blade 47. To control the pressure and speed of the air the pressure of the internal cavity of the longitudinal channels 48 contain adjustable chokes 49 (Fig. 10), controlled by an automatic control system. The presence of several chokes 49 along each longitudinal channel 48 allows you to control the pressure and air velocity along the length of the longitudinal channels 48.

На свободных концах лопастей 47 размещены воздухозаборники 50, обращенные входным отверстием в сторону вращения лопасти 47 (фиг. 5). Внутри воздухозаборников 50 находятся управляемые воздушные клапаны 51, через которые продольные каналы 48 лопастей 47 соединяются с атмосферой. Воздушные клапаны 51, управляемые системой автоматического управления, могут закрывать или открывать доступ воздуха из атмосферы в изолированные друг от друга продольные каналы 48 лопастей 47. Лопасти 47 ветроколеса (на виде со стороны ветрового потока) имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения, обеспечивающую, при вращении ветроколеса, перемещение нагнетаемого воздуха вдоль продольных каналов 48 в лопастях 47 от периферии к горизонтальной оси (турбине). Воздушная турбина 52 размещена во внутренней полости 53 горизонтальной оси 37 и соединена центральным валом 54 с центральным электрогенератором 55. At the free ends of the blades 47 there are air intakes 50 facing the inlet in the direction of rotation of the blade 47 (Fig. 5). Inside the air intakes 50 are controllable air valves 51, through which the longitudinal channels 48 of the blades 47 are connected to the atmosphere. Air valves 51, controlled by an automatic control system, can close or open air from the atmosphere into longitudinal channels 48 of the blades 47 isolated from each other. The blades 47 of the wind wheel (as seen from the side of the wind flow) have an arcuate shape with a deflection in the opposite direction of rotation providing, during rotation of the wind wheel, the movement of the injected air along the longitudinal channels 48 in the blades 47 from the periphery to the horizontal axis (turbine). An air turbine 52 is located in the inner cavity 53 of the horizontal axis 37 and is connected by a central shaft 54 to a central electric generator 55.

Центральный электрогенератор 55 (фиг. 9) так же как и периферийные синхронные генераторы 44 может работать как в режиме электрогенератора, так и в режиме электродвигателя. Центральный электрогенератор 55 размещен в той части полой горизонтальной оси 37, которая расположена в осевом подшипнике 36. На горизонтальной оси 37, соосно с воздушной турбиной 52, для регулирования воздушного потока подводимого из лопастей 47 к воздушной турбине 52, размещен воздушный распределитель 56 (фиг. 11), содержащий входные патрубки 57 и створки 58. Входные патрубки 57 соединяют продольные каналы 48 лопастей 47 с воздушным распределителем 56. Створки 58 воздушного распределителя 56 выполнены в виде поворотной пластины. Количество и форма створок 58 соответствует количеству и форме отверстий 59, соединяющих продольные каналы 48 лопастей 47 с полостью воздушного распределителя 56. Створки 58 воздушного распределителя 56 могут поворачиваться, независимо друг от друга, вокруг своей оси 60 индивидуальным приводом (на схеме не показан), срабатывающим по командам системы автоматического управления. Поворотом створок 58 воздушного распределителя 56 вокруг оси 60 обеспечивается увеличение или уменьшение входного сечения воздушного распределителя 56 и регулирование количества воздуха, поступающего к лопаткам воздушной турбины 52 из соответствующего продольного канала 48 лопасти 47. (фиг. 8). По периметру выходного сопла 61 (фиг. 2) воздушной турбины 52 размещены поворачивающиеся регулирующие заслонки 62, которые позволяют изменять площадь сечения выходного сопла 61 и регулировать количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52. Управление регулирующими заслонками 62 осуществляется системой автоматического управления (на схеме не показана) в зависимости от требуемой скорости вращения центрального электрогенератора 55 при данной скорости воздушного потока. The central electric generator 55 (Fig. 9) as well as the peripheral synchronous generators 44 can operate both in the electric generator mode and in the electric motor mode. The central electric generator 55 is placed in that part of the hollow horizontal axis 37, which is located in the axial bearing 36. On the horizontal axis 37, coaxially with the air turbine 52, an air distributor 56 is placed to regulate the air flow supplied from the blades 47 to the air turbine 52 (FIG. 11), containing inlet pipes 57 and flaps 58. Inlet pipes 57 connect the longitudinal channels 48 of the blades 47 to the air distributor 56. The flaps 58 of the air distributor 56 are made in the form of a rotary plate. The number and shape of the flaps 58 corresponds to the number and shape of the holes 59 connecting the longitudinal channels 48 of the blades 47 with the cavity of the air distributor 56. The flaps 58 of the air distributor 56 can rotate independently of each other around its axis 60 by an individual drive (not shown in the diagram), triggered by the commands of the automatic control system. The rotation of the flaps 58 of the air distributor 56 about the axis 60 provides an increase or decrease in the inlet section of the air distributor 56 and control the amount of air entering the blades of the air turbine 52 from the corresponding longitudinal channel 48 of the blade 47. (Fig. 8). Around the perimeter of the output nozzle 61 (Fig. 2) of the air turbine 52 are placed rotatable control flaps 62, which allow you to change the cross-sectional area of the output nozzle 61 and adjust the amount of air passing through the air turbine 52. The control flaps 62 are controlled by an automatic control system (not shown shown) depending on the desired rotation speed of the central generator 55 at a given air flow rate.

Лопасти 47 закреплены одним концом на внутреннем ребре жесткости 46 обода 39, а другим концом на горизонтальной оси 37 с возможностью перемещения вдоль оси вращения. Плоскость вращения центральных точек 63 подвеса лопастей 47 смещена относительно плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса в направлении, противоположном ветровому потоку так, чтобы при ветровой нагрузке линии прогиба лопасти 47 в данных точках располагались в направлении, обеспечивающем предпочтительную нагрузку обода 39, например, по касательной к плоскости его вращения. Такое расположение точек подвеса лопасти 47 обеспечивает уменьшение нагрузки от лобового сопротивления лопастей 47, передаваемой на обод 39, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41. Перемещением горизонтальной оси 37 вдоль оси вращения ветроколеса обеспечивается регулировка натяжения всех лопастей 47 и распределения лобового сопротивления между осевым подшипником 36 и ободом 39. The blades 47 are fixed at one end on the inner stiffener 46 of the rim 39, and at the other end on the horizontal axis 37 with the possibility of movement along the axis of rotation. The plane of rotation of the center points 63 of the suspension of the blades 47 is offset relative to the plane of rotation of the peripheral points 64 of the suspension in the direction opposite to the wind flow so that when the wind load the deflection lines of the blade 47 at these points are located in the direction that provides the preferred load of the rim 39, for example, tangent to the plane of its rotation. This arrangement of the suspension points of the blades 47 provides a reduction in the load from the drag of the blades 47 transmitted to the rim 39, the driven wheels 40 and the free rollers 41. By moving the horizontal axis 37 along the axis of rotation of the wind wheel, the tension of all blades 47 and the drag distribution between the axial bearing 36 are adjusted and rim 39.

Для осуществления независимого перемещения корневой части каждой лопасти 47 закреплена на горизонтальной оси с возможностью перемещения вдоль оси вращения. Это обеспечивается, например тем, что центральные точки 63 подвеса лопасти 47 закреплены в подвижной подвеске 65. Перемещение корневой части лопасти 47 вдоль оси вращения осуществляется для каждой лопасти 47 электроприводом подвески 67 по командам системы автоматического управления в зависимости от углового положения лопасти 47, скорости ветра, скорости ветроколеса и т. п. Для передачи воздушного потока из лопасти 47 к воздушной турбине 52 каждый продольный канал 48 лопасти 47 соединен с входными патрубками 57 воздушного распределителя 56 гибким рукавом 66 (фиг. 9). For independent movement of the root part of each blade 47 is mounted on a horizontal axis with the possibility of movement along the axis of rotation. This is ensured, for example, by the fact that the central suspension points 63 of the blade 47 are fixed in the movable suspension 65. The root part of the blade 47 is moved along the axis of rotation for each blade 47 by the electric drive of the suspension 67 according to the commands of the automatic control system depending on the angular position of the blade 47 and wind speed , wind wheel speed, etc. To transmit air flow from the blade 47 to the air turbine 52, each longitudinal channel 48 of the blade 47 is connected to the inlet pipes 57 of the air distributor 56 by flexible arms AV 66 (Fig. 9).

Для регулирования угла атаки лопасти 47 ее периферийная часть крепится к ободу 39 в подшипнике 68 (фиг. 7) и снабжена приводом поворота 69 лопасти 47. Размещение привода поворота 69 лопасти 47 на периферии уменьшает требования к жесткости лопасти 47 и мощности самого привода 69. Привод 69 поворота лопасти 47 по командам системы автоматического управления поворачивает лопасть 47 вокруг продольной оси. При этом изменяется угол наклона лопасти 47, шаг ветроколеса, крутящий момент и лобовое сопротивление ветрового потока. Внутренняя часть лопасти 47 крепится к полой горизонтальной оси 37 при этом каждый продольный канал 48 лопасти 47 соединен с соответствующим входным патрубком 57 воздушного распределителя 56. To adjust the angle of attack of the blade 47, its peripheral part is attached to the rim 39 in the bearing 68 (Fig. 7) and is equipped with a rotary drive 69 of the blade 47. Placing the rotary drive 69 of the blade 47 at the periphery reduces the requirements for the stiffness of the blade 47 and the power of the drive 69 itself. The drive 69, the rotation of the blade 47 at the commands of the automatic control system rotates the blade 47 around the longitudinal axis. This changes the angle of inclination of the blade 47, the pitch of the wind wheel, torque and drag of the wind flow. The inner part of the blade 47 is attached to the hollow horizontal axis 37 with each longitudinal channel 48 of the blade 47 connected to the corresponding inlet pipe 57 of the air distributor 56.

Для перемещения ветроэнергетического устройства в режиме выработки электроэнергии из ветра свободные шкивы 27 вместо сваи 28 могут быть закреплены на дополнительном судне 70 соответствующего водоизмещения (фиг. 12). To move the wind power device in the mode of generating electricity from the wind, free pulleys 27 instead of piles 28 can be mounted on an additional vessel 70 of the corresponding displacement (Fig. 12).

В транспортном положении гибкий диффузор 13, тросы 26 и 31, поплавки 2 и 3 свернуты и размещены на базовом судне 1 (фиг. 13). В транспортном положении базовое судно 1 обеспечивает перемещение ветроэнергетической установки в место размещения потребителей электроэнергии (районы с нарушенным электроснабжением или временным дефицитом электроэнергии). In the transport position, the flexible diffuser 13, the cables 26 and 31, the floats 2 and 3 are folded and placed on the base vessel 1 (Fig. 13). In the transport position, the base vessel 1 provides movement of the wind power installation to the place of placement of electricity consumers (areas with a disrupted electricity supply or a temporary shortage of electricity).

В исходном (нерабочем, ремонтном, аварийном) положении гибкий диффузор 13 находится в воде и удерживается на плаву за счет подъемной силы поплавков 2 и 3 прикрепленных тросами 26 и 31 к свае 28. В исходном положении ветер не оказывает сильного воздействия на элементы конструкции (лопасти, диффузор и т. п. ), т. е. ветроэнергетическое устройство частично защищено от разрушительных воздействий порывистого и ураганного ветра. In the initial (inoperative, repair, emergency) position, the flexible diffuser 13 is in the water and kept afloat due to the lifting force of the floats 2 and 3 attached by ropes 26 and 31 to the pile 28. In the initial position, the wind does not have a strong effect on the structural elements (blades , a diffuser, etc.), i.e., the wind power device is partially protected from the destructive effects of gusty and hurricane winds.

Для приведения ветроэнергетического устройства в рабочее положение жесткий диффузор 9 поворачивается в горизонтальной плоскости, так чтобы ось его вращения установилась в горизонтальное положение, а входное отверстие жесткого диффузора 9 было направлено противоположно ветровому потоку. Боковые 2 и задние 3 поплавки размещаются с наветренной стороны базового судна 1 и соединяются нижними тросами 31 со свободными шкивами 27 на укрепленной в грунте 29 свае 28. Боковые кромки 14 гибкого диффузора 13 прикрепляются к боковым поплавкам 2, а задняя кромка 15 - к верхнему сектору 16 жесткого диффузора 9. Причем для уменьшения объемных потерь воздуха из внутренней полости гибкого диффузора 13 боковые кромки 14 могут быть погружены в воду, например посредством погружения поплавков 2 и 3 в воду. Дополнительное полотнище 20 соединяется с задними поплавками 3 и нижним сектором 19 жесткого диффузора 9. Затем, включением периферийных синхронных генераторов 44 к внешнему источнику электрической энергии (на схеме не показано), обод 39 и лопасти 47 приводятся во вращение. Направление вращения ветроколеса выбирается противоположно направлению его вращения при работе в режиме генератора так, чтобы воздух принудительно подавался во внутреннюю полость 18 гибкого диффузора 13. Так как утечки воздуха из-под гибкого диффузора 13 незначительны, то давление воздуха под ним будет выше атмосферного, вследствие этого возникает подъемная сила, и верхняя часть гибкого диффузора 13 начнет подниматься. При определенном давлении передняя кромка 25 гибкого диффузора 13 оторвется от поверхности воды и откроет вход для набегающего ветрового потока. После того как ветровой поток получит доступ во внутреннюю полость 18 гибкого диффузора 13 давление под ним будет также превышать атмосферное, так как ветроколесо вращается в направлении, при котором воздух нагнетается под гибкий диффузор 13, и он продолжит подъем до тех пор пока подъемная сила не уравновесится массой гибкого диффузора 13, боковых поплавков 2 и балластных грузов 4 (фиг. 12). To bring the wind power device into working position, the hard diffuser 9 is rotated in a horizontal plane so that its rotation axis is set to horizontal and the inlet of the hard diffuser 9 is directed opposite to the wind flow. Side 2 and rear 3 floats are located on the windward side of the base vessel 1 and are connected by lower cables 31 to free pulleys 27 on pile 28 strengthened in the ground 29. Side edges 14 of flexible diffuser 13 are attached to side floats 2, and trailing edge 15 to the upper sector 16 of the rigid diffuser 9. Moreover, to reduce the volumetric loss of air from the inner cavity of the flexible diffuser 13, the side edges 14 can be immersed in water, for example by immersing the floats 2 and 3 in water. The additional panel 20 is connected to the rear floats 3 and the lower sector 19 of the hard diffuser 9. Then, by turning on the peripheral synchronous generators 44 to an external source of electrical energy (not shown in the diagram), the rim 39 and the blades 47 are rotated. The direction of rotation of the wind wheel is chosen opposite to the direction of its rotation when operating in the generator mode so that the air is forcibly supplied to the internal cavity 18 of the flexible diffuser 13. Since air leaks from under the flexible diffuser 13 are insignificant, the air pressure under it will be higher than atmospheric, therefore there is a lifting force, and the upper part of the flexible diffuser 13 will begin to rise. At a certain pressure, the leading edge 25 of the flexible diffuser 13 will tear off from the surface of the water and open the inlet for the incoming wind flow. After the wind flow gets access to the internal cavity 18 of the flexible diffuser 13, the pressure under it will also exceed atmospheric, since the wind wheel rotates in the direction in which air is pumped under the flexible diffuser 13 and it will continue to rise until the lifting force is balanced a mass of flexible diffuser 13, side floats 2 and ballast weights 4 (Fig. 12).

После подъема гибкого диффузора 13 периферийные синхронные генераторы 44 отключаются от внешнего источника электроэнергии и включаются в генераторный режим. Ветровой поток, набегающий на гибкий диффузор 13, создаст под ним повышенное давление воздуха. Ускоренный поток воздуха, вытекающий под давлением из гибкого диффузора 13, набегает на лопасти 47, установленные под соответствующим углом. В результате на лопасти 47 начинают действовать силы, передающиеся через них на обод 39 и горизонтальную ось 37. Часть сил, действующих на обод 39, создает крутящий момент, а другая образует силу лобового сопротивления лопастей 47 потоку воздуха (фиг. 3). Лобовое сопротивление лопастей 47 ветровому потоку воспринимается ободом 39 и осевым подшипником 36. При необходимости уменьшить усилие лобового сопротивления, передаваемое от лопастей 47 на обод 39, система автоматического управления осуществляет перемещение горизонтальной оси 37 в осевом подшипнике 36 в направлении, противоположном ветровому потоку. При этом составляющая лобового сопротивления, передаваемая лопастью 47 на обод 39 уменьшится, а составляющая лобового сопротивления, передаваемая лопастью 47 на осевой подшипник 36 увеличится. Под действием крутящего момента обод 39 с лопастями 47 приводится во вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны набегающего потока. От обода 39 крутящий момент передается на ведомые колеса 40, а от них через периферийные валы 43 периферийным синхронным генераторам 44. Вращение периферийных синхронных генераторов 44 приводит к созданию в цепи электродвижущей силы (ЭДС). Воздушный поток, взаимодействующий с внешней стороны лопасти 47, создает также крутящий момент вокруг продольной оси лопасти 47 в направлении против часовой стрелки (если смотреть вдоль лопасти 47 от ее внешней части в сторону корневой части). After lifting the flexible diffuser 13, the peripheral synchronous generators 44 are disconnected from the external power source and are included in the generator mode. The wind flow running onto the flexible diffuser 13 will create an increased air pressure under it. The accelerated air flow flowing under pressure from the flexible diffuser 13 runs onto the blades 47 installed at an appropriate angle. As a result, forces transmitted through them to the rim 39 and the horizontal axis 37 begin to act on the blades 47. Some of the forces acting on the rim 39 create a torque, and the other forms the drag force of the blades 47 on the air flow (Fig. 3). The frontal resistance of the blades 47 to the wind flow is perceived by the rim 39 and the axial bearing 36. If necessary, reduce the drag force transmitted from the blades 47 to the rim 39, the automatic control system moves the horizontal axis 37 in the axial bearing 36 in the opposite direction to the wind flow. In this case, the drag component transmitted by the blade 47 to the rim 39 will decrease, and the drag component transmitted by the blade 47 to the axial bearing 36 will increase. Under the action of torque, the rim 39 with blades 47 is rotated counterclockwise when viewed from the side of the incoming flow. From the rim 39, the torque is transmitted to the driven wheels 40, and from them through the peripheral shafts 43 to the peripheral synchronous generators 44. The rotation of the peripheral synchronous generators 44 leads to the creation of an electromotive force (EMF) in the circuit. The air flow interacting from the outer side of the blade 47 also creates a torque around the longitudinal axis of the blade 47 in the counterclockwise direction (when viewed along the blade 47 from its outer part towards the root part).

Во избежание изгибающих нагрузок при передаче крутящего момента от вращающихся лопастей 47 к горизонтальной оси 37, система автоматического управления включает принудительное вращение горизонтальной оси 37 в том же направлении (против часовой стрелки) с угловой скоростью, равной угловой скорости лопастей 47. Этим обеспечивается снижение требований к жесткости лопастей 47. In order to avoid bending loads when transmitting torque from the rotating blades 47 to the horizontal axis 37, the automatic control system includes forced rotation of the horizontal axis 37 in the same direction (counterclockwise) with an angular velocity equal to the angular velocity of the blades 47. This reduces the requirements for stiffness of the blades 47.

При вращении лопастей 47 от воздухозаборников 50 через открытые воздушные клапаны 51 в продольные винтовые каналы 48 под напором поступает наружный воздух. Статическое давление и скоростной напор воздушного потока в продольных винтовых каналах 48 воздействует на их стенки, создавая крутящий момент вокруг продольной оси лопасти 47. Так как продольные винтовые каналы 48 выполнены с правым направлением (если смотреть вдоль лопасти 47 от ее внешней части в сторону корневой части), то крутящий момент, действующий на продольные винтовые каналы 48 со стороны воздушного потока, направлен вокруг продольной оси лопасти 47 по часовой стрелке. Таким образом крутящий момент вокруг продольной оси от внутреннего воздушного потока противоположен крутящему моменту от воздушного потока, взаимодействующего с внешними поверхностями лопасти 47. When the blades 47 rotate from the air inlets 50 through the open air valves 51, external air enters the longitudinal screw channels 48 under pressure. Static pressure and high-pressure air flow in the longitudinal screw channels 48 acts on their walls, creating a torque around the longitudinal axis of the blade 47. Since the longitudinal screw channels 48 are made in the right direction (if you look along the blade 47 from its outer part towards the root part ), then the torque acting on the longitudinal screw channels 48 from the side of the air flow is directed around the longitudinal axis of the blade 47 in a clockwise direction. Thus, the torque around the longitudinal axis from the internal air flow is opposite to the torque from the air flow interacting with the outer surfaces of the blade 47.

В связи с неравномерным распределением внешних сил, действующих на лопасть 47, регулируемые дроссели 49 по командам системы автоматического управления обеспечивают различные величины давлений и скорости воздушного потока на различных участках лопасти 47 путем увеличения или уменьшения проходного сечения в каждом продольном винтовом канале 48 при открытии или закрытии дросселей 49. Due to the uneven distribution of external forces acting on the blade 47, the adjustable throttles 49, according to the commands of the automatic control system, provide different pressures and air flow rates in different parts of the blade 47 by increasing or decreasing the flow area in each longitudinal screw channel 48 when opening or closing Chokes 49.

Затем воздух под давлением поступает через воздушный распределитель 56 к воздушной турбине 52. Вращение воздушной турбины 52 через центральный вал 54 передается к центральному электрогенератору 55, преобразующему механическую энергию воздушной турбины 52 в электрическую энергию, передаваемую потребителям. Then, air under pressure enters through the air distributor 56 to the air turbine 52. The rotation of the air turbine 52 through the central shaft 54 is transmitted to the central generator 55, which converts the mechanical energy of the air turbine 52 into electrical energy transmitted to consumers.

При прохождении воздуха вдоль внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 происходит его нагревание за счет солнечной энергии, поступающей через прозрачную верхнюю часть 17 гибкого диффузора 13. Благодаря односторонней проводимости гибкого диффузора 13, тепловая и световая энергия, поступившие к воздуху под гибким диффузором 13, более полно используются для нагревания воздуха. Это способствует увеличению давления и энергии воздушного потока, проходящего через жесткий диффузор 9. When air passes along the internal cavity 18 of the flexible diffuser 13, it is heated due to solar energy supplied through the transparent upper part 17 of the flexible diffuser 13. Due to the one-sided conductivity of the flexible diffuser 13, the heat and light energy supplied to the air under the flexible diffuser 13 is more fully used to heat air. This helps to increase the pressure and energy of the air flow passing through the hard diffuser 9.

Наличие нижней оболочки 24 с отражающими свойствами обеспечивает более эффективное использование солнечной энергии во внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 и увеличивает степень нагрева воздуха. The presence of the lower shell 24 with reflective properties provides a more efficient use of solar energy in the internal cavity 18 of the flexible diffuser 13 and increases the degree of heating of the air.

При вращении лопасти 47 вокруг оси вращения меняется ее положение относительно поля сил тяжести. Поэтому при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 0 до 180 градусов, поле сил тяжести (уменьшает крутящий момент на лопасти) замедляет вращение лопасти 47. А при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 180 до 360 градусов, поле сил тяжести (увеличивает крутящий момент на лопасти 47) ускоряет вращение лопасти 47. В результате меняется и вертикальная составляющая реакции лопасти 47 на обод 39. When the blade 47 rotates around the axis of rotation, its position changes relative to the field of gravity. Therefore, when the blade 47 moves (up) in a sector from 0 to 180 degrees, the field of gravity (reduces the torque on the blade) slows down the rotation of the blade 47. And when the blade 47 moves (up) in a sector from 180 to 360 degrees, the field of gravity (increases the torque on the blade 47) accelerates the rotation of the blade 47. As a result, the vertical component of the reaction of the blade 47 to the rim 39 also changes.

При вращении лопасти 47, в связи с неравномерным распределением скорости воздушного потока по высоте ветроэнергетического устройства, меняется скорость ветрового потока, действующего на лопасть 47. Поэтому при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 0 до 180 градусов, скорость обдува лопасти 47 возрастает (увеличивается крутящий момент на лопасти 47 и лобовое сопротивление). А при движении лопасти 47 (вниз) в секторе от 180 до 360 градусов, скорость обдува лопасти 47 уменьшается (уменьшаются крутящий момент на лопасти 47 и лобовое сопротивление). В результате меняется и горизонтальная составляющая реакции лопасти 47 на обод 39. When the blade 47 rotates, due to the uneven distribution of the air flow velocity over the height of the wind power device, the speed of the wind flow acting on the blade 47 changes. Therefore, when the blade 47 moves (up) in the sector from 0 to 180 degrees, the speed of blowing the blade 47 increases ( increases the torque on the blades 47 and drag). And when the motion of the blade 47 (down) in the sector from 180 to 360 degrees, the speed of blowing the blade 47 decreases (decreases the torque on the blade 47 and drag). As a result, the horizontal component of the reaction of the blade 47 to the rim 39 also changes.

Для уменьшения вредного влияния сил тяжести земли и неравномерности распределения скоростей воздушного потока на лопасти 47 и обод 39 электропривод 67 подвижной подвески 65 по командам системы автоматического управления перемещает корневую часть каждой лопасти 47 параллельно оси вращения. Наличие гибких рукавов 66 обеспечивает передачу воздушного потока из продольных каналов 48 при перемещении корневой части лопасти 47 к неподвижным входным патрубкам 57 воздушного распределителя 56. To reduce the harmful effects of the gravity of the earth and the uneven distribution of air velocity on the blades 47 and the rim 39, the electric drive 67 of the movable suspension 65, by commands of the automatic control system, moves the root part of each blade 47 parallel to the axis of rotation. The presence of flexible hoses 66 ensures the transfer of air flow from the longitudinal channels 48 when moving the root of the blade 47 to the stationary inlet pipes 57 of the air distributor 56.

Если в данном угловом положении реакция лопасти 47 на обод 39 превышает заданное (оптимальное) значение, то электропривод 67 подвижной подвески 65 перемещает корневую часть лопасти 47 навстречу ветровому потоку. Перемещение корневой части лопасти 47 в направлении от плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса приведет к уменьшению реакции, передаваемой на обод 39 периферийными точками 64 подвеса лопасти 47, а величина реакции лопасти 47, передаваемой на осевой подшипник 36, увеличится. If in this angular position the reaction of the blade 47 to the rim 39 exceeds a predetermined (optimal) value, then the electric drive 67 of the movable suspension 65 moves the root part of the blade 47 towards the wind flow. Moving the root part of the blade 47 in the direction from the plane of rotation of the peripheral suspension points 64 will reduce the reaction transmitted to the rim 39 by the peripheral points 64 of the suspension of the blade 47, and the reaction value of the blade 47 transmitted to the axial bearing 36 will increase.

Если в данном угловом положении реакция лопасти 47 на обод 39 меньше заданного (оптимального) значения, то электропривод 67 подвижной подвески 65 перемещает корневую часть лопасти 47 по ходу ветрового потока. Перемещение корневой части лопасти 47 в направлении к плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса приведет к увеличению реакции, передаваемой на обод 39 периферийными точками 64 подвеса лопасти 47, а величина реакции лопасти 47, передаваемой на осевой подшипник 36, уменьшится. If in this angular position the reaction of the blade 47 to the rim 39 is less than the specified (optimal) value, then the electric drive 67 of the movable suspension 65 moves the root part of the blade 47 along the wind flow. Moving the root part of the blade 47 in the direction of the plane of rotation of the peripheral suspension points 64 will increase the reaction transmitted to the rim 39 by the peripheral points 64 of the suspension of the blade 47, and the reaction value of the blade 47 transmitted to the axial bearing 36 will decrease.

Указанные выше перемещения корневой части лопасти 47 позволяют уменьшить циклическую неравномерность нагрузок на ободе 39 и вибрации, понизить требования к жесткости обода 39 и уменьшить массу подвижных частей ветроколеса. The above movements of the root part of the blade 47 can reduce the cyclic unevenness of the loads on the rim 39 and vibration, reduce the stiffness requirements of the rim 39 and reduce the mass of the moving parts of the wind wheel.

Частота вращения ветроколеса при изменении скорости ветрового потока регулируется системой автоматического управления изменением следующих параметров ветроэнергетического устройства:
угол раскрытия гибкого диффузора 13;
угол атаки (установки) лопасти 47;
количество воздушного потока проходящего через воздушную турбину 52;
количество и схема подключения к нагрузке периферийных генераторов 44.The frequency of rotation of the wind wheel when changing the speed of the wind flow is regulated by the automatic control system for changing the following parameters of the wind power device:
the opening angle of the flexible diffuser 13;
angle of attack (installation) of the blade 47;
the amount of air flow passing through the air turbine 52;
the number and circuit of connecting to the load of peripheral generators 44.

При увеличении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством намотки на поперечные лебедки 34 укорачивает длину поперечных тросов 33. При этом уменьшается угол раскрытия гибкого диффузора 13, скорость и количество воздушного потока, проходящего через ветроколесо, и соответственно сохраняется заданная угловая скорость. При уменьшении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления посредством отмотки с поперечных лебедок 34 увеличивает длину поперечных тросов 33. При этом под действием ветра увеличивается угол раскрытия гибкого диффузора 13, скорость и количество воздушного потока, проходящего через ветроколесо, и соответственно сохраняется заданная угловая скорость при меньшей скорости ветра. With an increase in the wind flow velocity and, accordingly, the angular velocity of the wind wheel, the automatic control system (not shown) by winding onto the transverse winch 34 shortens the length of the transverse cables 33. At the same time, the opening angle of the flexible diffuser 13, the speed and amount of air flow passing through the wind wheel decrease and accordingly, the specified angular velocity is maintained. When reducing the speed of the wind flow and, accordingly, the angular speed of the wind wheel, the automatic control system by unwinding from the transverse winch 34 increases the length of the transverse cables 33. In this case, under the influence of the wind, the opening angle of the flexible diffuser 13 increases, the speed and amount of air flow passing through the wind wheel specified angular velocity at lower wind speeds.

При увеличении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством привода 69 поворота лопастей 47 уменьшает угол наклона лопастей 47, что приводит к уменьшению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком, и соответственно сохранению заданной угловой скорости. А при уменьшении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством привода 69 поворота лопастей 47 увеличивает угол наклона лопастей 47, что приводит к увеличению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком, и соответственно сохранению заданной угловой скорости. With an increase in the speed of the wind flow and, accordingly, the angular speed of the wind wheel, the automatic control system (not shown in the diagram) by means of the rotary drive 69 of the blades 47 decreases the angle of inclination of the blades 47, which leads to a decrease in the torque created by the wind flow and, accordingly, the preservation of the given angular velocity. And with a decrease in the wind flow velocity and, accordingly, the angular speed of the wind wheel, the automatic control system (not shown in the diagram) by means of the rotary drive 69 of the blades 47 increases the angle of inclination of the blades 47, which leads to an increase in the torque created by the wind flow and, accordingly, the preservation of the given angular velocity.

При увеличении скорости ветрового потока происходит увеличение скорости и количества воздуха, прокачиваемого через воздушную турбину 52, и соответственно увеличение частоты вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55, что может повлиять на качество вырабатываемой электроэнергии. Поэтому для поддержания частоты вращения турбины 52 в заданном диапазоне система автоматического управления закрывает заслонки 62, уменьшая площадь сечения выходного сопла 61 и уменьшая количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52, и соответственно уменьшается частота вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55. При уменьшении скорости ветра регулирующие заслонки 62 раскрываются, увеличивая площадь сечения выходного сопла 61, количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52, и соответственно увеличивается частота вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55. With an increase in the speed of the wind flow, there is an increase in the speed and amount of air pumped through the air turbine 52, and accordingly, an increase in the frequency of rotation of the air turbine 52 and the central electric generator 55, which can affect the quality of the generated electricity. Therefore, to maintain the rotational speed of the turbine 52 in a given range, the automatic control system closes the shutters 62, reducing the cross-sectional area of the output nozzle 61 and reducing the amount of air passing through the air turbine 52, and accordingly, the rotational speed of the air turbine 52 and the central generator 55 decreases. the wind control flaps 62 open, increasing the cross-sectional area of the output nozzle 61, the amount of air passing through the air turbine 52, and accordingly the rotational speed of the air turbine 52 and the central generator 55 is different.

При работе с минимальной нагрузкой (скоростью ветрового потока) все периферийные генераторы 44 подключены к электрической нагрузке последовательно. При низкой угловой скорости ветроколеса, каждый из периферийных синхронных электрогенераторов 44 создает небольшую по величине ЭДС переменного тока постоянной частоты, но суммарная ЭДС последовательно подключенных синхронных электрогенераторов 44, достаточна для подачи электроэнергии в сеть. Общая мощность вырабатываемой электроэнергии также минимальна. When working with a minimum load (wind speed), all peripheral generators 44 are connected to the electrical load in series. At a low angular speed of the wind wheel, each of the peripheral synchronous generators 44 creates a small emf of alternating current of constant frequency, but the total emf of the series-connected synchronous generators 44 is sufficient to supply electricity to the network. The total capacity of the generated electricity is also minimal.

Увеличение скорости ветрового потока, при постоянном угле наклона лопастей 47, приведет к увеличению скорости вращения ветроколеса, силы тока, ЭДС на каждом генераторе 44 и суммарной мощности, создаваемой всеми последовательно подключенными периферийными генераторами 44. Автоматическая система управления при этом поочередно отключает периферийные синхронные генераторы 44 так, чтобы величина суммарной ЭДС находилась в заданном диапазоне, а увеличение крутящего момента, действующего со стороны ветра, уравновесилось суммарным моментом сопротивления вращению со стороны последовательно подключенных к нагрузке генераторов 44. Когда скорость вращения ветроколеса под влиянием ветрового потока увеличится до скорости, при которой система управления оставит в цепи только один периферийный генератор 44, то она же начнет поочередно подключать периферийные генераторы 44 к сети, но не последовательно друг другу, а параллельно. При этом каждый периферийный генератор 44 вырабатывает ЭДС с номинальным для данных генераторов 44 и сети напряжением. Общая мощность электроэнергии, вырабатываемой периферийными синхронными генераторами 44, продолжает увеличиваться. An increase in the speed of the wind flow, at a constant angle of inclination of the blades 47, will lead to an increase in the speed of rotation of the wind wheel, current, EMF on each generator 44 and the total power generated by all serially connected peripheral generators 44. The automatic control system turns off the peripheral synchronous generators 44 in turn so that the value of the total EMF is in a given range, and the increase in torque acting from the side of the wind is balanced by the total moment of rotation rotation from the side of the generators 44 connected in series to the load. When the rotational speed of the wind wheel under the influence of the wind flow increases to a speed at which the control system leaves only one peripheral generator 44 in the circuit, it will begin to alternately connect the peripheral generators 44 to the network, but not sequentially to each other, but in parallel. Moreover, each peripheral generator 44 generates an EMF with a voltage nominal for these generators 44 and the network. The total power of the electricity generated by the peripheral synchronous generators 44 continues to increase.

За счет большого количества установленных периферийных синхронных генераторов 44 поочередное их отключение или отключение позволяет многоступенчато регулировать момент сопротивления вращению ветроколеса и обеспечивать этим регулирование угловой скорости вращения ветроколеса. Для остановки ветроколеса в экстренных ситуациях тормозные прокладки 45 прижимаются системой управления к боковой поверхности внутреннего ребра жесткости 46 обода 39, создавая момент сил трения, направленный противоположно вращению ветроколеса. Размещение тормозных прокладок 45 (фиг. 7) на периферии ветроколеса позволяет увеличить эффективность торможения и уменьшить возможность поломки лопастей 47. Due to the large number of installed peripheral synchronous generators 44, their alternate shutdown or shutdown allows you to multi-stage control the moment of resistance to rotation of the wind wheel and to provide this regulation of the angular speed of rotation of the wind wheel. To stop the wind wheel in emergency situations, the brake pads 45 are pressed by the control system to the side surface of the inner stiffening rib 46 of the rim 39, creating a moment of friction forces directed opposite to the rotation of the wind wheel. The placement of the brake pads 45 (Fig. 7) on the periphery of the wind wheel allows to increase the braking efficiency and reduce the possibility of breaking the blades 47.

Во избежание передачи крутящего момента от лопастей 47 на горизонтальную ось 37 система автоматического управления осуществляет принудительное вращение оси 37 в том же направлении (против часовой стрелки) с угловой скоростью, равной средней угловой скорости лопастей 47. Закрытое положение створок 58 воздушного распределителя 56 при открытом положении воздушных клапанов 51 на воздухозаборниках лопастей 47 обеспечивает увеличение давления и уменьшение скорости воздуха в продольных каналах 48 лопастей 47. To avoid transmitting torque from the blades 47 to the horizontal axis 37, the automatic control system forces the axis 37 to rotate in the same direction (counterclockwise) with an angular speed equal to the average angular velocity of the blades 47. The closed position of the wings 58 of the air distributor 56 when open air valves 51 on the air intakes of the blades 47 provides an increase in pressure and a decrease in air velocity in the longitudinal channels 48 of the blades 47.

Для обеспечения правильного взаимного расположения лопастей 47 и их балансировки система автоматического управления осуществляет регулирование положения створок воздушных клапанов 51 и створок 58 воздушного распределителя 56. Например, закрытие воздушного клапана 51 на любой из лопастей 47, при прочих равных условиях, приведет к уменьшению момента сопротивления вращению и соответственно увеличению угловой скорости данной лопасти 47 относительно других лопастей ветроколеса. При изменении направления ветра, вследствие флюгерного эффекта и низкого сопротивления воды, ветроэнергетическое устройство поворачивается в горизонтальной плоскости по ветру вокруг неподвижной сваи 28. To ensure the correct relative positioning of the blades 47 and their balancing, the automatic control system regulates the position of the flaps of the air valves 51 and the flaps 58 of the air distributor 56. For example, closing the air valve 51 on any of the blades 47, ceteris paribus, will reduce the moment of resistance to rotation and, accordingly, an increase in the angular velocity of this blade 47 relative to other blades of the wind wheel. When the wind direction changes due to the vane effect and low water resistance, the wind power device rotates in a horizontal plane in the wind around a stationary pile 28.

При увеличении скорости ветра до значений, превышающих допустимые для данной ветроэнергетической установки, система автоматического управления одновременно выполняет следующие действия:
передняя кромка гибкого диффузора 19 опускается до уровня воды наматыванием передних тросов 26 на соответствующие им лебедки 30;
боковые 2 и задние поплавки 3 заглубляются под воду уменьшением длины нижних тросов 31 и увеличением балластного груза 4;
в балластные цистерны 12 базового судна 1 набирается забортная вода в количестве, при котором судно 1 уменьшает положительную плавучесть и опускается под воду на глубину не меньше, чем высота судна 1 с жестким диффузором 9.When the wind speed increases to values that exceed the permissible values for a given wind power installation, the automatic control system simultaneously performs the following actions:
the front edge of the flexible diffuser 19 is lowered to the water level by winding the front cables 26 onto their corresponding winches 30;
side 2 and rear floats 3 are buried under water by reducing the length of the lower cables 31 and increasing the ballast weight 4;
outboard water is collected in the ballast tanks 12 of the base vessel 1 in an amount in which the vessel 1 reduces positive buoyancy and falls under the water to a depth not less than the height of the vessel 1 with a rigid diffuser 9.

В результате этих действий ветроэнергетическое устройство вместе с гибким диффузором 13, поплавками 2 и 3, базовым судном 1 погружается под воду (фиг. 11) и не испытывает разрушающих воздействий воздушной среды. Для подъема ветроэнергетического устройства в рабочее положение те же действия выполняются в обратном порядке. As a result of these actions, the wind power device, together with a flexible diffuser 13, floats 2 and 3, the base vessel 1, is submerged under water (Fig. 11) and does not experience the destructive effects of the air. To raise the wind power device to its working position, the same actions are performed in reverse order.

Для перемещения ветроэнергетического устройства с использованием энергии ветра изменяют положение точек опоры, с которыми связаны поплавки 2 и 3, например свободные шкивы 27 вместе с передними 26 и нижними 31 тросами снимаются со сваи 28 и крепятся на дополнительном судне 70 (фиг. 13). При этом гибкий диффузор 13, лопасти 47, боковые 2 и задние 3 поплавки остаются в рабочем положении, следовательно, выработка электроэнергии из энергии ветрового потока продолжается. Часть электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическим устройством, подается к силовым установкам дополнительного судна 70 и электродвигателям 6 килевых устройств 5 на поплавках 2 и 3 для движения в заданном направлении (фиг. 14). В целях уменьшения лобового сопротивления воды боковых 2 и задних 3 поплавков масса балластных грузов 4 в них уменьшаются до величины, при которой поплавки 2 и 3 поднимут из воды боковые кромки 14 за счет подъемной силы гибкого диффузора 13. Подъемная сила гибкого диффузора 13 создается за счет разницы между атмосферным давлением и давлением воздуха во внутренней полости 18 гибкого диффузора 13. Подъем поплавков 2 и 3 осуществляется на высоту, при которой килевые устройства 5 с гребными винтами 7 остаются погруженными в воду, а поплавки 2 и 3 касаются поверхности воды, не позволяя утечек воздуха из внутренней полости 18 гибкого диффузора 13. Регулирование высоты подъема боковых 2 и задних 3 поплавков осуществляется системой автоматического управления изменением следующих параметров:
массы балластных грузов 4 в задних 3 и боковых 2 поплавках;
давления воздуха под гибким диффузором 13 путем изменения угла его конусности;
длины передних 26 и нижних 31 тросов.To move the wind power device using wind energy, the position of the pivot points, to which the floats 2 and 3 are connected, for example, the free pulleys 27 together with the front 26 and lower 31 cables are removed from the pile 28 and mounted on an additional vessel 70 (Fig. 13). In this case, the flexible diffuser 13, the blades 47, the side 2 and rear 3 floats remain in the working position, therefore, the generation of electricity from the energy of the wind flow continues. Part of the electricity generated by the wind power device is supplied to the power plants of the additional vessel 70 and electric motors 6 of the keel devices 5 on the floats 2 and 3 for movement in a given direction (Fig. 14). In order to reduce the drag of the water of the side 2 and rear 3 floats, the mass of ballast weights 4 in them is reduced to a value at which the floats 2 and 3 lift the side edges 14 out of the water due to the lifting force of the flexible diffuser 13. The lifting force of the flexible diffuser 13 is created by the difference between atmospheric pressure and air pressure in the inner cavity 18 of the flexible diffuser 13. The floats 2 and 3 are lifted to a height at which the keel devices 5 with the propellers 7 remain immersed in the water, and the floats 2 and 3 touch the surface of the water, preventing air leaks from the internal cavity 18 of the flexible diffuser 13. The lifting height of the side 2 and rear 3 floats is controlled by an automatic control system for changing the following parameters:
mass of ballast weights 4 in the rear 3 and side 2 floats;
air pressure under the flexible diffuser 13 by changing the angle of its taper;
lengths of front 26 and lower 31 cables.

При определенной силе ветра ветроэнергетическое устройство начнет перемещаться под углом к направлению ветра за счет работы гребных винтов на базовом судне 1, дополнительном судне 70 и на килевых устройствах 5. При изменении курса или направления ветра ориентация оси жесткого диффузора 9 относительно направления ветра осуществляется поворотной платформой 10 от привода 11 (фиг. 15). At a certain wind force, the wind power device will begin to move at an angle to the direction of the wind due to the operation of the propellers on the base vessel 1, additional vessel 70 and keel devices 5. When the course or direction of the wind changes, the axis of the rigid diffuser 9 relative to the wind direction are rotated by the platform 10 from the drive 11 (Fig. 15).

Для сохранения интервала между базовым 1 и дополнительным 70 судами, поддержания требуемой силы натяжения передних 26 и нижних 31 тросов, их курсы расходятся под некоторым углом. To maintain the interval between the base 1 and an additional 70 vessels, maintain the required tension force of the front 26 and lower 31 cables, their courses diverge at a certain angle.

Для сохранения дистанции между боковыми поплавками 2, поддержания требуемого угла раскрытия гибкого диффузора 13 двигатели 6 переднего по ходу бокового поплавка 2 работают с тяговым усилием, обеспечивающим наличие заданной величины натяжения поперечных тросов 33. При этом длина поперечных тросов 33 будет определять угол раскрытия гибкого диффузора 13. При необходимости регулирования угла раскрытия гибкого диффузора 13 осуществляется намотка или размотка поперечных тросов 33 в поперечных лебедках 34. To maintain the distance between the side floats 2, to maintain the required opening angle of the flexible diffuser 13, the engines 6 of the forward along the side float 2 operate with a pulling force that ensures the preset tension of the transverse cables 33. The length of the transverse cables 33 will determine the opening angle of the flexible diffuser 13 . If you need to control the opening angle of the flexible diffuser 13 is the winding or unwinding of the transverse cables 33 in the transverse winches 34.

Для управления курсом ветроэнергетического устройства система автоматического управления осуществляет поворот базового судна 1, дополнительного судна 70 и килевых устройств 5 на боковых 2 и задних 3 поплавках относительно направления ветра с сохранением общего направления горизонтальной оси параллельно направлению ветра. To control the course of the wind power device, the automatic control system rotates the base vessel 1, additional vessel 70 and keel devices 5 on the side 2 and rear 3 floats relative to the wind direction while maintaining the general direction of the horizontal axis parallel to the wind direction.

Список литературы
1. Шефтер Я. И. и Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - М.: изд-во Министерства сельского хозяйства СССР, 1957.List of references
1. Shefter Y. I. and Rozhdestvensky I.V. To the inventor about wind turbines and wind turbines. - M .: publishing house of the Ministry of Agriculture of the USSR, 1957.

2. Ветроэнергетика /Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ., под ред. Я.И. Шефтера. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 272 с., ил. 2. Wind Energy / Ed. D. de Renzo: Trans. from English, ed. ME AND. Shefter. - M .: Energoatomizdat, 1982.- 272 p., Ill.

3. Патент FR, 2541384 А, 24.08.1984, кл. F 03 D 9/00, 1/00, 4 с., фиг. 1. 3. Patent FR, 2541384 A, 08.24.1984, cl. F 03 D 9/00, 1/00, 4 s., FIG. 1.

Claims (8)

1. Ветроэнергетическое устройство с диффузором, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости, и воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, отличающееся тем, что диффузор выполнен гибким, а внутренние полости лопастей выполнены в виде каналов винтовой (спиральной) формы. 1. A wind power device with a diffuser, comprising a wind wheel mounted on a horizontal axis of rotation with blades having internal cavities, and air intakes controlled by an electric generator, and an air turbine, characterized in that the diffuser is flexible and the internal cavities of the blades are made in the form of helical (spiral channels ) forms. 2. Ветроэнергетическое устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренние полости содержат регулируемые дроссели. 2. The wind energy device according to claim 1, characterized in that the internal cavities contain adjustable chokes. 3. Ветроэнергетическое устройство по п.1, отличающееся тем, что корневая часть лопасти закреплена на горизонтальной оси с возможностью перемещения. 3. The wind energy device according to claim 1, characterized in that the root part of the blade is mounted on a horizontal axis with the possibility of movement. 4. Ветроэнергетическое устройство с диффузором, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости, воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, отличающееся тем, что диффузор выполнен гибким и расположен на поплавках, связанных с опорами. 4. A wind power device with a diffuser, comprising a wind wheel mounted on a horizontal axis of rotation with blades having internal cavities, air intakes controlled by an electric generator, and an air turbine, characterized in that the diffuser is flexible and is located on floats connected to supports. 5. Ветроэнергетическое устройство по п.3, отличающееся тем, что боковые кромки диффузора погружены в жидкую среду. 5. The wind energy device according to claim 3, characterized in that the lateral edges of the diffuser are immersed in a liquid medium. 6. Ветроэнергетическое устройство по п.3, отличающееся тем, что одна часть диффузора, обращенная к солнцу, выполнена из прозрачного материала, а противоположная часть обладает отражающими и теплоизолирующими свойствами. 6. The wind energy device according to claim 3, characterized in that one part of the diffuser facing the sun is made of transparent material, and the opposite part has reflective and heat-insulating properties. 7. Способ предохранения ветроэнергетического устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений (ураган, гроза, град и т.п.) путем уменьшения площади взаимодействия ветроэнергетического устройства с ветровым потоком, отличающийся тем, что ветроэнергетическое устройство погружается в жидкую среду. 7. A method of protecting a wind power device from the damaging effects of atmospheric phenomena (hurricane, thunderstorm, hail, etc.) by reducing the area of interaction of the wind power device with the wind flow, characterized in that the wind power device is immersed in a liquid medium. 8. Способ развертывания ветроэнергетического устройства с использованием энергии сжатого воздуха, отличающийся тем, что в указанном устройстве имеется гибкий диффузор, в который воздух подается под давлением выше атмосферного принудительным вращением ветроколеса в направлении, обратном рабочему. 8. A method of deploying a wind power device using compressed air energy, characterized in that the said device has a flexible diffuser into which air is supplied under atmospheric pressure by forced rotation of the wind wheel in the opposite direction to the working one.

Images