RU2272172C2

RU2272172C2 - High-power wind-energy plant equipped with pyramidal-type wind motor

Info

Publication number: RU2272172C2
Application number: RU2003134246/06A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Николаевич Степанчук (UA); Аркадий Николаевич Степанчук
Original assignee: Аркадий Николаевич Степанчук
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2006-03-20
Also published as: RU2003134246A

Abstract

FIELD: wind-power engineering; high-power wind-energy plants.

SUBSTANCE: proposed wind-energy plant includes pyramidal-type wind motor with vertical axle and blades secured in two tiers around vertical axle; three edges of blades of lower tier are supported by three bearing ends of rigid three-dimensional trusses through shock-absorbing and stabilization system forming bearing unit in central part; vertical axle is made in form of tube through which steel studs fastening the blades run; axle with studs is embedded in concrete; framework of blades consists of three-dimensional trusses and tubular and angle members.

EFFECT: extended functional capabilities; increased power.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится в ветроэнергетике и касается ветросиловых установок с большой в отдельном экземпляре (единичной) мощностью. Оно должно войти в разработанную группу изобретений, включающую в себя следующие технические решения: «Пирамидальный ветряной двигатель» с вертикальной осью с лопастями-пирамидами, причем ось напрямую соединена с подшипниковым блоком, что обуславливает работоспособность двигателя в пределах 15-20 кВт (см. RU 2248463 С1, опубл. 20.03.2005), «Устройство для ограничения оборотов пирамидального ветряного двигателя» (см. RU 2003130043 А, опубл. 10.04.2005), «Устройство опорного узла для пирамидального ветряного двигателя», позволяющее увеличить мощность двигателя до 110 кВт за счет создания статического момента («рычага Архимеда») за счет устройства консолей и опоры на них в трех точках (см. RU 2003131661 А, опубл. 10.04.2005), «Устройство для гашения сотрясений ветросиловой установки» (см. RU 2003128919 А, опубл. 20.03.2005).The invention relates to wind energy and relates to wind power plants with a large in a single copy (unit) power. It should be included in the developed group of inventions, which includes the following technical solutions: “Pyramidal wind engine” with a vertical axis with pyramid blades, the axis being directly connected to the bearing block, which determines the engine’s working capacity within 15-20 kW (see RU 2248463 C1, publ. March 20, 2005), “Device for limiting the speed of a pyramidal wind engine” (see RU 2003130043 A, publ. 10.04.2005), “Device of a support unit for a pyramidal wind engine”, which allows to increase engine power about 110 kW due to the creation of a static moment (“Archimedes lever”) due to the device of consoles and support on them at three points (see RU 2003131661 A, publ. 10.04.2005), “Device for damping shocks of a wind power installation” (see RU 2003128919 A, publ. March 20, 2005).

Для получения единичных мощностей в 150, 600, 1000 и 10.000 кВт потребуется осуществить определенные конструктивные решения. В частности, надо разгрузить нижний подшипниковый блок, а три конца консольной части должны опираться на шасси на резиновом ходу или на колесные пары, как в железнодорожных вагонах, и двигаться это соответственно должно по асфальтобетонному покрытию или по круговому рельсовому пути (фиг.1, 2).To obtain unit capacities of 150, 600, 1000 and 10.000 kW, it will be necessary to implement certain design solutions. In particular, it is necessary to unload the lower bearing block, and the three ends of the cantilever part must rest on the chassis on a rubber track or on wheelsets, as in railway cars, and this should move accordingly on an asphalt concrete coating or on a circular rail track (Fig. 1, 2 )

Аналогом изобретения (прототипом) ветросиловой установки, содержащей пирамидальный ветряной двигатель с вертикальной осью вращения и лопастями, является FR 2418996 А, кл. F 03 D 3/00, 02.11.1979.An analogue of the invention (prototype) wind power installation containing a pyramidal wind turbine with a vertical axis of rotation and blades, is FR 2418996 A, CL. F 03 D 3/00, 02/02/1979.

Технический результат заключается в расширении диапазона и функциональных возможностей установки, а также в повышении мощности, и обеспечивается за счет того, что в ветросиловой установке, содержащей пирамидальной ветряной двигатель (ПВД) с вертикальной осью и лопастями, согласно изобретению, лопасти закреплены вокруг вертикальной оси в два яруса, причем три края лопастей нижнего яруса через систему амортизации и стабилизации опираются на три опорных конца жестких пространственных ферм, сходящихся в центральной части в опорно-подшипниковый блок, вертикальная ось представляет собой трубу, через полость которой проходят стальные шпильки, скрепляющие лопасти между собой, при этом ось со шпильками замоноличивается внутри бетоном, а каркасы лопастей состоят из жестких пространственных ферм и трубчато-уголковых элементов. Каждая из пирамид-лопастей второго яруса опирается на балку, одновременно скрепляющую между собой лопасти нижнего яруса, крепление лопастей второго яруса в верхней части осуществляется посредством канатов и трубчато-уголковых элементов, которые, в свою очередь, снабжены канатом с распоркой, образуя ферму, при этом канат имеет систему автоматического натяжения, в которую входят неподвижные блоки, трос и грузовой компенсатор. Опорные концы ферм опираются через их концевую часть на шасси: резиновое, пневматическое или стальное, когда опирается на железнодорожную тележку, движущуюся по кольцевому рельсовому пути.The technical result consists in expanding the range and functionality of the installation, as well as in increasing the power, and is ensured due to the fact that in a wind power installation containing a pyramidal wind engine (LDPE) with a vertical axis and blades, according to the invention, the blades are fixed around a vertical axis in two tiers, and the three edges of the lower tier blades through the damping and stabilization system are based on three supporting ends of rigid spatial trusses converging in the central part in the bearing-bearing kovy unit, the vertical axis represents a pipe through which the cavity tested steel pins, blades fastening together, wherein the axis of pins zamonolichivaetsya inside the concrete, and the blades consist of rigid cages dimensional trusses and tubular-cube corner elements. Each of the pyramids-blades of the second tier rests on a beam that simultaneously fastens the lower tier blades together, the fastening of the blades of the second tier in the upper part is carried out using ropes and tubular-corner elements, which, in turn, are equipped with a rope with a spacer, forming a truss, This rope has an automatic tensioning system, which includes fixed blocks, a cable and a load compensator. The supporting ends of the trusses are supported through their end part on the chassis: rubber, pneumatic or steel, when resting on a railway trolley moving along an annular rail track.

На фиг.1 изображена ветросиловая установка (общий вид);Figure 1 shows a wind power installation (General view);

на фиг.2 изображена концевая часть опорных концов ферм, установленных на кольцевой рельсовый путь;figure 2 shows the end part of the supporting ends of the trusses installed on the annular rail track;

на фиг.3 изображен вид А-А по фиг.2.figure 3 shows a view aa of figure 2.

Ветросиловая установка содержит следующие элементы: опорные концы 1 жестких пространственных ферм 21 опираются посредством системы амортизации и стабилизации 2 на концевую часть 3, а она, в свою очередь, на железнодорожную тележку 4, которая движется по кольцевому рельсовому пути 5. Данный стальной путь как один из возможных вариантов: может быть еще колесный, резиновый и пневматический.The wind power installation contains the following elements: the supporting ends 1 of the rigid spatial trusses 21 are supported by the depreciation and stabilization system 2 on the end part 3, and it, in turn, on the railway carriage 4, which moves along the ring rail 5. This steel track as one of the possible options: it may also be wheeled, rubber and pneumatic.

Концевая часть 3 - это часть опорного узла 6, который описан в заявке под названием «Устройство опорного узла для ПВД». Только в настоящей заявке в качестве примера приводится, что ВСУ (ветросиловая установка) может приводить в движение винт 7 водного корабля, для плавного трогания с места и плавного разгона которого используется гидромуфта или гидротрансформатор 8.The end part 3 is a part of the support unit 6, which is described in the application under the name "Device support unit for LDPE." Only in this application, as an example, it is shown that the APU (wind power installation) can propel the propeller 7 of a watercraft, for smooth starting and smooth acceleration of which a hydraulic coupling or torque converter 8 is used.

Три пространственные фермы 21 в центральной части сходятся, образуя узел 9, на который опирается ось ПВД 10, к которой, в свою очередь, боком к одной из сторон своих оснований крепятся пирамидальные лопасти 11. Геометрические принципы этих лопастей приводятся в заявке №2003107582/06 под названием «Пирамидальный ветряной двигатель». Ось 10 - это труба, может быть длиной в несколько десятков метров, сравнительно небольшого диаметра и небольшой толщины стенок. Фактически, ее функция упорная, а не опорная. Через ее полость проходят стальные шпильки, которые скрепляют лопасти 11 между собой в нужном геометрическом положении. Шпильки хорошо прижимают их к оси 14, а гайки завариваются для исключения ослабления их действия. Внутри трубчатой оси 10 образуется армировка за счет проходящих шпилек. Нижняя ее часть заглушается, а через верхнюю заливается бетон, который, затвердев, сделает всю систему монолитной.Three spatial trusses 21 in the central part converge, forming a node 9, on which the axis of the LDPE 10 rests, to which, in turn, pyramidal blades 11 are attached sideways to one of the sides of their bases. The geometric principles of these blades are given in application No. 2003107582/06 called "Pyramidal Wind Turbine." Axis 10 is a pipe, it can be several tens of meters long, of relatively small diameter and small wall thickness. In fact, its function is persistent, not supportive. Steel studs pass through its cavity, which hold the blades 11 together in the desired geometric position. The studs press them well against the axis 14, and the nuts are welded to prevent weakening of their action. Inside the tubular axis 10, reinforcement is formed due to the passing studs. Its lower part is drowned out, and concrete is poured through the upper part, which, having solidified, will make the entire system monolithic.

Как видно на фиг.1, каркас каждой из шести пирамидальных лопастей 11 состоит из пространственных ферм 12, 21, 22 и трубчато-уголковых элементов 13. Это позволяет сделать конструкцию лопастей 11 надежной, неметаллоемкой и простой.As can be seen in figure 1, the frame of each of the six pyramidal blades 11 consists of spatial trusses 12, 21, 22 and tubular-corner elements 13. This allows you to make the design of the blades 11 reliable, non-metallic and simple.

Трубчато-уголковые элементы 13 (на фиг.1 они изображены в виде трех линий, которые часто перечеркнуты) - это трубы небольшого диаметра (3/4 дюйма или 4 дюйма), которые охватываются двумя уголками, сверху и снизу (только уголки между собой не соприкасаются) и сжимаются либо плотно прилегающими хомутами, либо плотно намотанной нержавеющей проволокой. Образуется система, которая способна выдерживать значительные нагрузки и при этом незначительно изменять свою геометрическую форму, т.е. на протяжении многих метров она лишь слабо провисает. В отдельности же как труба, так и уголок в 10 метров длиной дают весьма заметный провис и непрочны. Соединяя же их, можно добиться такого эффекта, как, например, в железобетонной конструкции, где арматура из железа и бетонный раствор, соединившись вместе, легли в основу современной строительной индустрии.Tubular-corner elements 13 (in figure 1 they are shown in the form of three lines that are often crossed out) are pipes of small diameter (3/4 inch or 4 inch), which are covered by two corners, above and below (only the corners between themselves are not touch) and are compressed either by tightly fitting clamps or by tightly wound stainless steel wires. A system is formed that is able to withstand significant loads and at the same time slightly change its geometric shape, i.e. for many meters it only sagged slightly. Separately, both the pipe and the corner 10 meters long give a very noticeable sag and are fragile. By combining them, you can achieve such an effect, as, for example, in reinforced concrete structures, where reinforcement made of iron and concrete mortar, combined together, formed the basis of the modern construction industry.

Как стыки труб, так и стыки уголков в предлагаемой конструкции хорошо провариваются. Однако при наложении друг на друга они не должны совпадать. Места приложения в уголках следует вырезать, чтобы они могли к трубам плотно прилегать и их сварные швы не мешали бы при этом. На концах трубчато-уголковых элементов 13 проделываются отверстия через уголок - трубу - уголок под хомут соответствующего размера, или уголок - труба - уголок под прессом расплющиваются, затем проделываются нужные отверстия. Понятно, что между собой эти элементы при строительно-монтажных работах соединяются крепежными хомутами.Both the pipe joints and the corner joints in the proposed design are well-boiled. However, when superimposed on each other, they should not coincide. The places of application in the corners should be cut so that they can fit tightly to the pipes and their welds would not interfere with this. At the ends of the tubular-corner elements 13, holes are made through a corner - a pipe - a corner for a clamp of an appropriate size, or a corner - a pipe - a corner under a press are flattened, then the necessary holes are made. It is clear that these elements are connected to each other during construction and installation works by mounting clamps.

В целом, за счет трубчато-уголковых элементов 13 может быть выполнен каркас полой части пирамидальных лопастей 11. Затем он выполняется повторно деревянными брусками, прикрепленными к нему хомутами или плотно прилегающей нержавеющей проволокой. Как полая часть лопастей 11, так и наружная, т.е. с обеих сторон, обшивается пластиком (вагонкой или листами). Нигде не должно быть выступов или искривлений. Ветровой поток должен легко, без сопротивления соскальзывать по выступающим частям лопастей 11 и также легко уходить из их полых частей. В этом смысле пластик есть оптимальное средство в борьбе с «паразитными» аэродинамическими сопротивлениями при движении ПВД в воздушном турбулентном потоке.In General, due to the tubular-corner elements 13 can be made the frame of the hollow part of the pyramidal blades 11. Then it is repeated with wooden blocks attached to it with clamps or a tight-fitting stainless wire. As the hollow part of the blades 11, and the outer, i.e. on both sides, sheathed with plastic (lining or sheets). There should be no protrusions or distortions anywhere. The wind stream should easily, without resistance, slide off over the protruding parts of the blades 11 and also easily leave their hollow parts. In this sense, plastic is the best tool in the fight against “parasitic” aerodynamic drags when moving LDPE in an air turbulent flow.

Второй ярус ПВД практически исключает «мертвую точку», что может наблюдаться при одноярусной конструкции. Он также улучшает тяговые характеристики ветродвигателя. В нижней своей части каждая из пирамид-лопастей 11 опираются на балку (ферму) 14, которая одновременно скрепляет между собой лопасти 11 нижнего яруса. В верхней части лопасти 11 второго яруса скрепляются посредством канатов 15 и трубчато-уголковых элементов 16, которые, в свою очередь, для их усиления обеспечиваются канатом 17 с распоркой, что образует ферму упрощенной конструкции со своей прочностью и жесткостью, длина которой может достигать несколько десятков метров. В этом смысле также надо и канат 15, чтобы он эффективно выполнял свое предназначение (помогал балке 14), обеспечить схемой автоматического натяжения, в которую входят неподвижные блоки 18, трос 19 и грузовой компенсатор 20.The second tier of LDPE virtually eliminates the “dead center”, which can be observed with a single-tier structure. It also improves the traction characteristics of the wind turbine. In their lower part, each of the pyramids-blades 11 rest on a beam (truss) 14, which simultaneously holds together the blades 11 of the lower tier. In the upper part of the blade 11 of the second tier are fastened by means of ropes 15 and tubular-corner elements 16, which, in turn, are provided with a strut 17 for their reinforcement, which forms a truss of a simplified design with its strength and rigidity, the length of which can reach several tens meters. In this sense, it is also necessary that the rope 15, so that it effectively fulfills its purpose (helps the beam 14), provide an automatic tensioning circuit, which includes the fixed blocks 18, the cable 19 and the load compensator 20.

Круговой рельсовый путь 5 из-за своей кривизны может иметь много стыков. Они обычно делаются прямыми. Это создает стук (шум) при прохождении колесных пар по ним. Но если стыки сделать косыми, т.е. когда еще колесо не сошло с данного рельса, но уже заходит на второй, то нежелательный шум будет значительно меньше и система «путь-колесо» будет также меньше изнашиваться, и температурный стык останется.Circular rail 5 due to its curvature can have many joints. They are usually made straight. This creates a knock (noise) when passing wheelsets through them. But if the joints are made oblique, i.e. when the wheel has not yet left the rail, but is already on the second, the unwanted noise will be much less and the path-wheel system will also wear out less and the temperature joint will remain.

Мощные ВСУ с опорой на шасси (резиновое, пневматическое или стальное) должны располагаться на земле (среди поля или на возвышенности), где ветрам нет помех из-за складок местности или искусственных сооружений. Они также могут располагаться на плавучих платформах или кораблях, которые не только будут обеспечены электроэнергией, но даже смогут приводить в движение их гребные винты, хотя лучше система ВСУ - генератор - электрический двигатель, приводящий гребной винт.Powerful APUs based on the chassis (rubber, pneumatic or steel) should be located on the ground (in the middle of a field or on a hill), where the winds are free from interference due to terrain or artificial structures. They can also be located on floating platforms or ships, which will not only be provided with electricity, but even be able to propel their propellers, although it is better to use the APU system - generator - an electric motor that drives the propeller.

На плоских крышах цехов предприятий, жилых домов и между этажами в сквозных вентиляционных коридорах высотных зданий также возможна их установка. Шумовые эффекты можно сводить до минимума, до шумов от работы лифтов в жилом доме, за счет надлежащих конструктивных проработок и шумопоглощающих элементов, например резиновых прокладок, амортизирующих устройств.On the flat roofs of workshops of enterprises, residential buildings and between floors in the through ventilation corridors of high-rise buildings, their installation is also possible. Noise effects can be minimized, to the noise from the operation of elevators in a residential building, due to appropriate design studies and sound-absorbing elements, such as rubber gaskets, shock absorbing devices.

Claims

1. Ветросиловая установка, содержащая пирамидальный ветряной двигатель с вертикальной осью и лопастями, отличающаяся тем, что лопасти закреплены вокруг вертикальной оси в два яруса, причем три края лопастей нижнего яруса через систему амортизации и стабилизации опираются на три опорных конца жестких пространственных ферм, сходящихся в центральной части в опорно-подшипниковый блок, вертикальная ось представляет собой трубу, через полость которой проходят стальные шпильки, скрепляющие лопасти между собой, при этом ось со шпильками замоноличивается внутри бетоном, а каркасы лопастей состоят из жестких пространственных ферм и трубчато-уголковых элементов.1. Wind power installation containing a pyramidal wind turbine with a vertical axis and blades, characterized in that the blades are fixed around the vertical axis in two tiers, and the three edges of the blades of the lower tier through the damping and stabilization system rest on three supporting ends of rigid spatial trusses converging in the central part into the bearing block, the vertical axis is a pipe through which steel studs pass through the cavity, holding the blades together, while the axis with the locks lichivaetsya inside the concrete, and the blades consist of rigid cages dimensional trusses and tubular-cube corner elements.

2. Ветросиловая установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая из пирамид-лопастей второго яруса опирается на балку, одновременно скрепляющую между собой лопасти нижнего яруса, крепление лопастей второго яруса и верхней части осуществляется посредством канатов и трубчато-уголковых элементов, которые, в свою очередь, снабжены канатом с распоркой, образуя ферму, при этом канат имеет систему автоматического натяжения, в которую входят неподвижные блоки, трос и грузовой компенсатор.2. Wind power installation according to claim 1, characterized in that each of the pyramids of the blades of the second tier rests on a beam that simultaneously fastens the blades of the lower tier together, the fastening of the blades of the second tier and the upper part is carried out by means of ropes and tubular-corner elements, which, in turn, equipped with a rope with a spacer, forming a truss, while the rope has an automatic tensioning system, which includes fixed blocks, a cable and a load compensator.

3. Ветросиловая установка по п.1, отличающаяся тем, что опорные концы ферм опираются через их концевую часть на шасси: резиновое, пневматическое или стальное, когда опирается на железнодорожную тележку, движущуюся по кольцевому рельсовому пути.3. Wind power installation according to claim 1, characterized in that the supporting ends of the trusses are supported through their end part on the chassis: rubber, pneumatic or steel, when supported by a railway carriage moving along an annular rail track.