RU2283968C1

RU2283968C1 - Windmill

Info

Publication number: RU2283968C1
Application number: RU2005104726/06A
Authority: RU
Inventors: к Станислав Афанасьевич Лисн (RU); Станислав Афанасьевич Лисняк; лых Сергей Васильевич В (RU); Сергей Васильевич Вялых
Original assignee: Станислав Афанасьевич Лисняк; Сергей Васильевич Вялых
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-09-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering.

SUBSTANCE: proposed windmill that can be used to convert wind energy into mechanical rotation of windmill shaft coupled with various mechanical apparatuses or mechanical energy converters has windwheel with vertical axis of revolution provided with at least three wind-responding members fixed with radial yokes secured on vertical axis of revolution perpendicular to this axis; external ends of yokes rest on circular support; in addition, windwheel is mounted for interaction with electric power generator. Novelty is that each wind responding member is made in the form of slotted wing incorporating at least two parallel crescent-section blades whose section is convex in direction of windwheel rotation and concave on wind-responding surface end; slotted-wing blade length and width increas from its wind responding surface by minimum 5% of dimensions of smallest adjacent one; cross-sectional area of largest blade of each slotted wing is tear-shaped for which purpose profile curvature radius in central part of its convex surface is smaller than that of remaining slotted-wing blades.

EFFECT: simplified design, reduced size and mass of windwheel, enhanced wind-energy use factor.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии движения ветра в механическое вращение вала ветродвигателя, к которому могут быть присоединены различные механические устройства или преобразователи механической энергии.The invention relates to devices for converting wind energy into mechanical rotation of a wind turbine shaft, to which various mechanical devices or converters of mechanical energy can be connected.

Известен ветродвигатель в котором в центральной области потока ветер непосредственно действует на многолопастной ротор, а справа и слева от потока установлены подвижные заслонки, по периметру вне ротора (слева открывают потоку движение, а справа перекрывают), причем эти заслонки также использованы в качестве направляющего аппарата для направления ветрового потока к ротору (см. патент РФ №2074980).A wind turbine is known in which in the central region of the flow the wind directly acts on the multi-vane rotor, and movable shutters are installed to the right and to the left of the flow along the perimeter outside the rotor (they open the flow to the left and block to the right), and these shutters are also used as a guiding device the direction of the wind flow to the rotor (see RF patent No. 2074980).

Недостаток этого решения - сектор использования ветра не превышает угла 120°, зато значительно увеличены габариты всего устройства и усложнена конструкция даже в сравнении с лопастным ветроагрегатом.The disadvantage of this solution is that the sector of using the wind does not exceed an angle of 120 °, but the dimensions of the entire device are significantly increased and the design is complicated even in comparison with a blade wind turbine.

Известен ветродвигатель, выполненный в виде осевой турбины с сопловым аппаратом и содержащий электрогенератор, переднюю, центральную, дополнительную и наружные оболочки. Перечисленные оболочки создают между смежными поверхностями три канала, каждый из которых представляет собой сопло Лаваля (см. патент РФ №2124142).Known wind turbine made in the form of an axial turbine with a nozzle apparatus and containing an electric generator, front, central, additional and outer shells. The listed shells create three channels between adjacent surfaces, each of which is a Laval nozzle (see RF patent No. 2124142).

По утверждению автора, такая конструкция обеспечивает высокую эффективность использования ветра, что весьма спорно, так как диаметр внешней оболочки более чем на порядок больше диаметра самой турбины, значит аэродинамический момент оболочки будет почти в тысячу раз больше сопротивления турбины. Утверждение автора о том, что капиталовложения на 1 кВт мощности такого ветроагрегата будут не более 0,25 капиталовложений для классического ветряка не выдерживают критики (в настоящее время во всем мире капиталовложения на 1 кВт мощности ветроагрегатов составляют в среднем 1500-2000$).According to the author, this design provides high wind efficiency, which is very debatable, since the diameter of the outer shell is more than an order of magnitude larger than the diameter of the turbine itself, which means that the aerodynamic moment of the shell will be almost a thousand times greater than the resistance of the turbine. The author’s claim that capital investments per 1 kW of the power of such a wind turbine will be no more than 0.25 capital investments for a classic wind turbine do not stand up to criticism (currently, worldwide investments per 1 kW of wind power are on average $ 1,500-2,000).

Известен также ветродвигатель, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии (см. пат. РФ по з-ке №2002130128 от 10.11.2002 "Ветроэнергетическая установка", решение о выдаче патента от 08.01.2004 г.).Also known is a wind turbine containing a wind wheel with a vertical axis of rotation, equipped with at least three wind pickup elements fastened with radial traverses mounted on a vertical axis of rotation perpendicular to it, while the outer ends of the travers are supported on an annular support, in addition, the wind wheel is installed with the possibility of interaction with an electric energy generator (see the patent of the Russian Federation for z-ke No. 2002130128 dated 10.11.2002 "Wind power installation", the decision to grant a patent on 08/08/2004).

Недостаток этого решения - громоздкость и сравнительно небольшой сектор использования ветра, кроме того, для обеспечения безопасности эксплуатации конструкции, имеющей развитую площадь ветровоспринимающих элементов, она снабжена устройствами для изменения их площади парусности.The disadvantage of this solution is the bulkiness and relatively small sector of the use of wind, in addition, to ensure the safety of operation of a structure having a developed area of wind pickup elements, it is equipped with devices for changing their sail area.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, - упрощение конструкции ветродвигателя, уменьшение его массогабаритных характеристик, увеличение его коэффициента использования энергии ветра.The task to which the claimed technical solution is directed is to simplify the design of the wind turbine, reduce its weight and size characteristics, increase its coefficient of utilization of wind energy.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что при наличии ветра, независимо от его направления, на его ветровоспринимающих элементах от 0 до 180° направления ветра возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться вал двигателя, так как поверхности ветровоспринимающих элементов, движущиеся навстречу ветру, имеют более низкое аэродинамическое сопротивление. При этом обеспечивается увеличение сектора использования ветра до 175° угла поворота вала, т.е. в 1,6 раза выше классических (на углах от 2,5° до 177,5° от направления ветра). Кроме того, выполнение лопасти по типу щелевого крыла Жуковского Н.Е. позволяет повысить аэродинамические силы на лопасти в 1,7-2 раза в сравнении с одинарной - обычной лопастью.The technical result obtained when solving the problem is expressed in the fact that in the presence of wind, regardless of its direction, aerodynamic forces arise on its wind-receiving elements from 0 to 180 ° of the wind direction, causing the motor shaft to rotate, since the surfaces of the wind-receiving elements moving towards the wind, have a lower aerodynamic drag. This ensures an increase in the sector of wind use up to 175 ° angle of rotation of the shaft, i.e. 1.6 times higher than classical ones (at angles from 2.5 ° to 177.5 ° from the direction of the wind). In addition, the execution of the blade type slotted wing Zhukovsky N.E. allows you to increase the aerodynamic forces on the blades in 1.7-2 times in comparison with a single - conventional blade.

Для решения поставленной задачи ветродвигатель, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии отличается тем, что каждый ветровоспринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей, профилю поперечного сечения которых придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей, причем поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла. Кроме того, образующая ветровоспринимающей поверхности наименьшей из лопастей щелевого крыла радиальна и перпендикулярна вертикальной оси вращения.To solve this problem, a wind turbine containing a wind wheel with a vertical axis of rotation, equipped with at least three wind pickup elements fastened with radial traverses mounted on a vertical axis of rotation perpendicular to it, while the outer ends of the travers are supported on an annular support, in addition, the wind wheel is installed with the possibility of interaction with an electric energy generator is characterized in that each wind pickup element is made in the form of a slotted wing containing at least two parallel blades, the cross-sectional profile of which is given a crescent shape, convex towards the rotation of the wind wheel and concave from the side of wind-receiving surfaces, while the width and length of the slit wing blades increases from its surface receiving the wind by at least 5% of the size of the adjacent smallest moreover, the cross section of the largest blade of each slot wing is given a droplet shape, for which the radius of curvature of the profile of the central part of its convex surface is made smaller than that of for Basic slotted wing blades. In addition, the generatrix of the wind-receiving surface of the smallest of the slit wing blades is radial and perpendicular to the vertical axis of rotation.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".A comparative analysis of the features of the claimed solution with the features of the prototype and analogues indicates the conformity of the claimed solution to the criterion of "novelty."

Признаки отличительной части формулы обеспечивают решение следующих функциональных задач:The features of the distinctive part of the formula provide a solution to the following functional tasks:

Признаки "каждый ветровоспринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей" позволяют повысить аэродинамические силы на ветровоспринимающем элементе в 1,7-2 раза в сравнении с обычной - одинарной лопастью.The signs "each wind pickup element is made in the form of a slit wing containing at least two parallel blades" can increase the aerodynamic forces on the wind pickup element by 1.7-2 times in comparison with the usual single blade.

Признаки "профилю поперечного сечения лопастей придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей" обеспечивают, что при наличии ветра, независимо от его направления, на ветровоспринимающих элементах от 0 до 180° направления ветра возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться вал двигателя, так как поверхности ветровоспринимающих элементов, движущиеся навстречу ветру, имеют более низкое аэродинамическое сопротивление, чем ветровоспринимающие поверхности.The signs “a crescent-shaped shape convex to the cross-section profile of the blades convex in the direction of rotation of the wind wheel and concave on the side of wind-receiving surfaces” ensures that in the presence of wind, regardless of its direction, aerodynamic forces appear on the wind-receiving elements from 0 to 180 °, causing them to rotate the engine shaft, since the surfaces of the wind-receiving elements moving towards the wind have lower aerodynamic drag than the wind-receiving surfaces and.

Признак "ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей" обеспечивает возможность взаимодействия с ветром всех лопастей щелевого крыла.The sign "the width and length of the slit wing blades increases from its surface, which receives the wind, by at least 5% of the size of the neighboring smallest", provides the possibility of interaction with the wind of all the slit wing blades.

Признаки "поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла" позволяют до минимума снизить аэродинамическое сопротивление передней кромки ветровоспринимающих элементов.The signs “the cross section of the largest blade of each crevice wing is given a droplet shape, for which the radius of curvature of the profile of the central part of its convex surface is made smaller than that of the other blades of the crevice wing” to minimize the aerodynamic drag of the leading edge of the wind pickup elements.

Признаки второго пункта формулы изобретения задают пространственную привязку лопастей щелевого крыла по отношению к оси вращения.The features of the second claim define the spatial reference of the slit wing blades with respect to the axis of rotation.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид ветродвигателя; на фиг.2 показано укрупнено щелевое крыло; на фиг.3 и 4 показано взаимодействие ветроколеса с ветром при различных углах поворота колеса к ветру.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a wind turbine; figure 2 shows the enlarged slotted wing; figure 3 and 4 shows the interaction of the wind wheel with the wind at different angles of rotation of the wheel to the wind.

Ветродвигатель содержит ветроколесо с вертикальной осью вращения 1, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами 2, скрепленными с радиальными траверсами 3, жестко закрепленными на вертикальной оси вращения 1 перпендикулярно ей (при больших размерах ветроколеса число траверс равно двум, при малых можно использовать только одну траверсу). Внешние концы 4 траверс 3 оперты на кольцевую опору 5. При необходимости (при больших размерах ветровоспринимающих элементов), можно использовать две параллельные кольцевые опоры, разнесенные по высоте друг над другом, но по нашим расчетам в большинстве случаев достаточно одной. Ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии 6. Каждый ветровоспринимающий элемент 2 выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей 7, разнесенных в плоскости вращения ротора друг от друга на 0,3 хорды лопасти по типу щелевого крыла Жуковского Н.Е. Профилю поперечного сечения лопастей 7 придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения 8 ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей 9, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его вогнутой поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей. Поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла. Кроме того, образующая ветровоспринимающей поверхности 9 наименьшей из лопастей 7 щелевого крыла радиальна и перпендикулярна вертикальной оси вращения 1.The wind turbine contains a wind wheel with a vertical axis of rotation 1, equipped with at least three wind pickup elements 2, fastened with radial traverses 3, rigidly mounted on the vertical axis of rotation 1 perpendicular to it (for large sizes of the wind wheel, the number of traverses is equal to two, for small ones you can use only one traverse ) The outer ends 4 of the traverse 3 are supported on an annular support 5. If necessary (for large sizes of wind-receiving elements), two parallel annular supports spaced in height above each other can be used, but according to our calculations, in most cases one is enough. The wind wheel is installed with the possibility of interaction with the electric energy generator 6. Each wind pick-up element 2 is made in the form of a slotted wing, containing at least two parallel blades 7, spaced in the plane of rotation of the rotor from each other by 0.3 blade chords according to the type of slotted wing Zhukovsky N. E. The profile of the cross section of the blades 7 is given a crescent shape, convex in the direction of rotation 8 of the wind wheel and concave from the side of the wind-receiving surfaces 9, while the width and length of the slit wing blades increases from its concave surface receiving the wind by at least 5% of the size of the neighboring smallest . The cross section of the largest blade of each crevice wing is given a droplet shape, for which the radius of curvature of the profile of the central part of its convex surface is made smaller than that of the other blades of the crevice wing. In addition, the generatrix of the wind-receiving surface 9 of the smallest of the blades 7 of the slotted wing is radial and perpendicular to the vertical axis of rotation 1.

Внешние концы траверс снабжены роликами 10 с ребордами, которыми они оперты на кольцевую опору 5, с возможностью качения по ней. Кольцевая опора 5 зафиксирована на опорных мачтах 11 (как минимум, трех).The outer ends of the traverse are equipped with rollers 10 with flanges, with which they are supported on an annular support 5, with the possibility of rolling along it. The ring support 5 is fixed on the supporting masts 11 (at least three).

Ветродвигатель работает следующим образом. При наличии ветра, на ветровоспринимающих элементах 2, при направлениях ветра от 0 до 180° возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться вал двигателя (вертикальную ось вращения), так как поверхности щелевых крыльев, движущиеся навстречу ветру, имеют более низкое аэродинамическое сопротивление. При этом, в активной зоне щелевых крыльев возникают дополнительные аэродинамические силы в соответствии со свойствами щелевого крыла, которые повышают аэродинамические силы, действующие на лопасти, в 1,7-2 раза в сравнении с одинарной - обычной лопастью.The wind turbine operates as follows. In the presence of wind, aerodynamic forces appear on the wind-receiving elements 2, with wind directions from 0 to 180 °, causing the engine shaft to rotate (vertical axis of rotation), since the surfaces of the slotted wings moving towards the wind have lower aerodynamic drag. In this case, in the active zone of the slotted wings additional aerodynamic forces arise in accordance with the properties of the slotted wing, which increase the aerodynamic forces acting on the blades, 1.7-2 times in comparison with a single - conventional blade.

Взаимодействие ветровоспринимающих элементов 2 с ветром представлено на фиг.3, 4 при различных углах поворота вертикальной оси вращения 1.The interaction of the wind-picking elements 2 with the wind is shown in figure 3, 4 at various angles of rotation of the vertical axis of rotation 1.

Из чертежей следует, что при повороте блока лопастей от 0° до 180° практически сохраняется результирующая аэродинамическая сила на ветровоспринимающем элементе.From the drawings it follows that when the blade block is rotated from 0 ° to 180 °, the resulting aerodynamic force on the wind pickup element is practically preserved.

Увеличение числа лопастей в ветровоспринимающих элементах свыше трех приведет только к снижению эффективности ветродвигателя.An increase in the number of blades in the wind-picking elements over three will only lead to a decrease in the efficiency of the wind turbine.

При повороте ветровоспринимающих элементов от 0° до 180° практически сохраняется результирующая аэродинамическая сила на нем.When the wind pickup elements turn from 0 ° to 180 °, the resulting aerodynamic force is practically preserved on it.

Наличие кольцевой опоры 5, укрепленной не менее чем на трех опорных мачтах 11, обеспечивает почти полную разгрузку вертикальной оси вращения и траверс ветродвигателя от опрокидывающего момента при ветре любой силы.The presence of an annular support 5, mounted not less than three supporting masts 11, provides almost complete unloading of the vertical axis of rotation and the traverse of the wind turbine from tipping moment when the wind of any force.

Вращение вертикальной оси вращения 1 передается на вал генератора электрической энергии 6 с выработкой электроэнергии.The rotation of the vertical axis of rotation 1 is transmitted to the shaft of the electric energy generator 6 with the generation of electricity.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет увеличить ветроэффективность ветродвигателя почти в 3,2 раза в сравнении с классической и довести ее до величины 0,65-0,75.Thus, the proposed design allows to increase the wind efficiency of the wind turbine by almost 3.2 times in comparison with the classical one and bring it to a value of 0.65-0.75.

Claims

1. Ветродвигатель, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии, отличающийся тем, что каждый ветровоспринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей, профилю поперечного сечения которых придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей, причем поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла.1. A wind turbine containing a wind wheel with a vertical axis of rotation, equipped with at least three wind pickup elements fastened with radial traverses mounted on a vertical axis perpendicular to it, while the outer ends of the traverse are supported on an annular support, in addition, the wind wheel is installed with the possibility of interaction with an electric energy generator, characterized in that each wind pickup element is made in the form of a slotted wing containing at least two parallel blades, a pop profile the cross-section of which is given a crescent shape, convex towards the rotation of the wind wheel and concave from the side of wind-receiving surfaces, while the width and length of the slit wing blades increases from its surface receiving the wind by at least 5% of the size of the adjacent smallest, and the cross-section is greatest the blades of each slotted wing are given a drop-like shape, for which the radius of curvature of the profile of the central part of its convex surface is made smaller than that of the other blades of the slotted wing.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что образующая ветровоспринимающей поверхности наименьшей из лопастей щелевого крыла радиальна и перпендикулярна вертикальной оси вращения.2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the generatrix of the wind-receiving surface of the smallest of the slit wing blades is radial and perpendicular to the vertical axis of rotation.