RU2476717C1 - Umbrella-type carcass wind rotor - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: wind rotor is made of a bearing frame, coaxially to which there is a generator installed, having a vertical rotor shaft and radial cross beams with sheerly fixed orthogonal-wind-driven elements tightened by rims resting on carcass pillars via rollers. Orthogonal-wind-driven elements are arranged outside the bearing frame. The frame is made in the form of an umbrella-type structure due to availability of vertical-axial, horizontal-radial and sheer-coaxial sections within its pillars. Cross beams are equipped with blades developing a rising air flow. Support rollers are supplemented with similar units that press rims from top, besides, all specified units are equipped with springs.

EFFECT: getting higher industrial capacity from a wind rotor wind-driven power plant, provides for stabilisation of rotation frequency and reduced vibration of an orthogonal turbine.

2 dwg

Description

Изобретение используется для получения промышленно значимых мощностей электроэнергии от возобновляемого природного источника - ветра, в условиях нестабильной аэродинамической среды.The invention is used to obtain industrially significant electric power from a renewable natural source - wind, in an unstable aerodynamic environment.

Сущность технического решения состоит в применении крупногабаритной турбины с развитой боковой площадью, ортогонально-парусные элементы которой вынесены за пределы несущего каркаса зонтичной конструкции, стянуты горизонтальными ободами, фиксируемыми и опирающимися на ролики, относящиеся к колоннам упомянутого каркаса и установленные на пружинных рессорах. Вероятность неравномерного вращения турбины и ее вибраций по аэродинамическим причинам понижается оснащением траверс направляющими лопатками.The essence of the technical solution consists in the use of a large-sized turbine with a developed lateral area, the orthogonal-sailing elements of which are outside the supporting frame of the umbrella structure, are pulled together by horizontal rims, fixed and supported by rollers belonging to the columns of the said frame and mounted on spring springs. The probability of uneven rotation of the turbine and its vibrations due to aerodynamic reasons is reduced by equipping the traverse with guide vanes.

Настоящий виндротор относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с вертикально расположенным турбинно-роторным валом и ортогонально-парусными элементами.This wind rotor refers to wind power plants (wind turbines) with a vertically located turbine-rotor shaft and orthogonal-sailing elements.

Практической ветроэнергетикой установлено, что ВЭУ указанного класса (виндроторы) более приспособлены к работе в условиях переменчивых по направлению и умеренных по силе ветров. Их турбины при меньшем лобовом сопротивлении более чувствительно воспринимают воздушный напор, не требуют ориентации на ветер, являются скоростными с частотой вращения 400-600 об/м, что позволяет напрямую передавать вращение от турбины непосредственно на ротор электрогенератора, без применения повышающих зубчатых передач и планетарных редукторов. Однако природа преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию такова, что для получения значимой мощности ветрогенератора его турбина должна ометать поверхность, как можно большей площади. По аналогичному показателю - боковой площади турбины, имея более низкие прочностные качества конструктивно-силовых схем, виндроторные установки многократно уступают горизонтально-роторным ВЭУ с пропеллерными турбинам, в силу чего не в состоянии развить мощности более 20-30 кВт.It has been established by practical wind power that wind turbines of the indicated class (wind rotors) are more adapted to work in conditions of winds that are variable in direction and moderate in strength. Their turbines, with lower drag, more sensitive to air pressure, do not require orientation to the wind, they are high-speed with a rotation frequency of 400-600 rpm, which allows direct transmission of rotation from the turbine directly to the generator’s rotor, without the use of raising gears and planetary gearboxes . However, the nature of the conversion of the kinetic energy of the wind into mechanical energy is such that in order to obtain a significant power of the wind generator, its turbine must sweep the surface of the largest possible area. According to a similar indicator - the turbine lateral area, having lower strength properties of structural-power schemes, the rotor installations are many times inferior to the horizontal-rotor wind turbines with propeller turbines, due to which they are not able to develop power of more than 20-30 kW.

Попытки решить указанную проблему заменой турбин Савониуса в их различных модификациях на ортогональные турбины не дает ожидаемой прибавки мощности до промышленных значений, поскольку уже незначительное увеличение размаха парусных элементов на консольных траверсах вызывает вибрационные явления с увеличивающейся амплитудой по мере возрастания частоты вращения турбины данного типа. Указанный недостаток имеет место вследствие неорганизованного, хаотичного вытеснения отработанного воздуха набегающими на ортогональную турбину потоками ветра с образованием вихрей и турбулентностей. Вращение турбин при этом имеет нестабильную частоту, непредсказуемую пульсацию и смену периодов ускорения и замедления, от чего страдает в конечном счете качество вырабатываемой электроэнергии.Attempts to solve this problem by replacing the Savonius turbines in their various modifications with orthogonal turbines does not give the expected power increase to industrial values, since an already slight increase in the magnitude of the sailing elements on the cantilever traverses causes vibrational phenomena with increasing amplitude with increasing speed of this type of turbine. This drawback occurs due to an unorganized, chaotic displacement of exhaust air by wind flows incident on the orthogonal turbine with the formation of vortices and turbulences. At the same time, the rotation of the turbines has an unstable frequency, unpredictable pulsation and a change in the periods of acceleration and deceleration, which ultimately affects the quality of the generated electricity.

Из развития техники известен роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), устанавливаемый на местности с применением несущего каркаса из по меньшей мере трех вертикальных колонн вместо опорной мачты, что увеличивает устойчивость, жесткость и прочность конструкции. Его турбина со спирально-дуговыми лопастями относится в осевому типу, т.е. непосредственного прикреплена к оси вращения, и расположена внутри каркаса. Аналогично смонтирован ветродвигатель (патент RU №2283968), где усиление прочностных характеристик ортогональной турбины решено при помощи роликов на концах траверс, опирающихся на кольцевые элементы, которыми дополнены колонны несущего каркаса. В обоих случаях возможности достижения развитой боковой площади турбин, а следовательно, получения промышленной мощности от ветрогенератора, сдерживается габаритами несущего каркаса, а также в первом случае - осевым типом турбины, исключающим получение высокого крутящего момента на роторном валу, во втором - ошибочным отнесением усиливающих жесткость кольцевых элементов не к турбине, где они целесообразны, а напротив, к колоннам каркаса, где необходимость в них отсутствует. В ветроагрегате (заявка на изобретения от 22.02.2011 №2011106392) в основном решена проблема прочности и жесткости ортогонального виндротора с боковой площадью, достаточной для получения промышленно значимых мощностей, улучшены эксплуатационные показатели. Вместе с тем имеются ограничения по габаритам турбины, обусловленные размерами пролета между колоннами несущего каркаса.From the development of technology known rotary wind turbine (patent RU No. 22120,000), installed on the ground using a supporting frame of at least three vertical columns instead of a support mast, which increases stability, rigidity and structural strength. Its turbine with spiral-arc blades belongs to the axial type, i.e. directly attached to the axis of rotation, and located inside the frame. Similarly mounted wind turbine (patent RU No. 2283968), where the enhancement of the strength characteristics of an orthogonal turbine is solved by means of rollers at the ends of the traverses, supported by ring elements, which supplement the columns of the supporting frame. In both cases, the possibility of achieving a developed lateral area of the turbines, and therefore, obtaining industrial power from the wind generator, is constrained by the dimensions of the supporting frame, and in the first case, by the axial type of the turbine, which excludes the receipt of high torque on the rotor shaft, and in the second, by the erroneous assignment of reinforcing stiffness ring elements not to the turbine, where they are suitable, but rather to the columns of the frame, where there is no need for them. In the wind turbine (application for inventions dated 02.22.2011 No. 2011106392), the problem of strength and stiffness of an orthogonal wind rotor with a lateral area sufficient to obtain industrially significant capacities was mainly solved, and operational indicators were improved. However, there are limitations on the dimensions of the turbine, due to the size of the span between the columns of the supporting frame.

В приведенных, как и в прочих известных, видроторах не предусмотрены меры против вибраций турбин, возникающих по аэродинамическим причинам. Вместо этого она усугубляется из-за размещения виндроторных турбин внутри несущих каркасов, колонны которых наводят дополнительные помехи, из-за чего парусные лопасти вращаются с еще более нестабильной частотой.In the given, as well as in other well-known, video rotors, there are no measures against vibrations of turbines arising due to aerodynamic reasons. Instead, it is exacerbated by the placement of wind turbine turbines inside the supporting frames, the columns of which cause additional interference, due to which the sailing blades rotate with an even more unstable frequency.

Целью изобретения является получение большей промышленной мощности от виндроторной ВЭУ, стабилизация частоты вращения и снижение вибрации ортогональной турбины.The aim of the invention is to obtain greater industrial power from a wind turbine wind turbine, stabilize the speed and reduce vibration of the orthogonal turbine.

Указанная цель достигается тем, что ортогонально-парусные элементы размещены снаружи несущего каркаса, что обеспечивается его зонтичной конструкцией, образованной вертикально-осевым, горизонтально-радиальным и отвесно-коаксиальным относительно оси симметрии каркаса участками по меньшей мере четырех (оптимально шести) колонн; траверсы дополнены лопатками, создающими поднимающийся вверх воздушный поток; опорно-роликовые соединения ортогонально-парусных элементов с колоннами несущего каркаса усилены наличием на них роликов, прижимающих ободы турбины сверху. Все опорные и фиксирующие ортогональную турбину узлы, на которые передается вращение турбины, оснащены пружинными рессорами.This goal is achieved by the fact that the orthogonal-sailing elements are placed outside the supporting frame, which is ensured by its umbrella structure formed by vertically axial, horizontally radial and vertical coaxial with respect to the axis of symmetry of the frame sections of at least four (optimally six) columns; traverses are supplemented with blades creating an upward flow of air; supporting-roller joints of orthogonal-sailing elements with columns of the supporting frame are reinforced by the presence of rollers on them, pressing the turbine rims from above. All supporting and fixing orthogonal turbine units to which the rotation of the turbine is transmitted are equipped with spring springs.

На фиг.1 представлен общий вид зонтично-каркасного виндротора; на фиг.2 - вид сверху на тот же виндротор (турбина условно не показана).Figure 1 presents a General view of the umbrella-frame windrotor; figure 2 is a top view of the same wind rotor (turbine conditionally not shown).

Виндротор содержит несущий каркас, образующий зонтичную конструкцию из колонн, имеющих вертикально-осевые 1, горизонтально-радиальные 2 и отвесно-коаксиальные 3 участки. Наверху вертикально-осевого участка колонн установлен генератор 4, от роторного вала 5 которого отходят траверсы 6 с лопатками 7 и отвесно подвешенными на их концах ортогонально-парусными элементами 8. Данные элементы стянуты ободами 9, опирающимися на ролики 10 и прижатые сверху роликами 11. Узлы установки опорных и прижимных роликов на отвесно-коаксиальном участке колонн несущего каркаса оснащены пружинными рессорами 12. При необходимости жесткость несущего каркаса может быть усилена стержневыми спицами 13.The wind rotor contains a supporting frame, forming an umbrella structure of columns having vertically axial 1, horizontally radial 2 and sheer-coaxial 3 sections. At the top of the vertical-axial section of the columns, a generator 4 is installed, from the rotor shaft 5 of which traverses 6 with blades 7 and orthogonal-sailing elements 8 hanging vertically at their ends 8. These elements are pulled together by rims 9, resting on rollers 10 and pressed on top by rollers 11. Units the installation of the support and pressure rollers on the steeply coaxial section of the columns of the supporting frame are equipped with spring springs 12. If necessary, the rigidity of the supporting frame can be reinforced with spokes 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под напором ветра на ортогонально-парусные элементы 8 начинается вращение турбинного узла ВЭУ, которое через траверсы 6 предается на вертикальный роторный вал 5. В статоре генератора 4 начинает вырабатываться электрический ток далее через коллектор, аккумуляторную батарею и инвертор, поступающий к потребителям.The proposed device operates as follows. Under the pressure of the wind on the orthogonal-sailing elements 8, the rotation of the wind turbine assembly begins, which through the traverses 6 is transmitted to the vertical rotor shaft 5. In the stator of the generator 4, electric current begins to be generated further through the collector, the battery and the inverter supplied to consumers.

За счет большой боковой площади виндроторной турбины, достигаемой размещением ортогонально-парусных элементов 8 снаружи несущего каркаса, ветрогенератор вырабатывает промышленно значимую мощность. Прочность и жесткость конструкции при крупных габаритах ее вращающихся аэродинамических частей обеспечивается стягивающими ободами 9, их опорой на несущий каркас на отвесно-коаксиальном участке колонн 3 через ролики 10 и фиксацией дополнительными прижимными роликами 11. Последние узлы, а также пружинные рессоры 12 необходимы, поскольку при больших диаметрах ободов 9 невозможно достигнуть их идеальных геометрических параметров, всегда существует некоторая овальность и отклонения в горизонтальной плоскости.Due to the large lateral area of the wind turbine achieved by placing orthogonal-sailing elements 8 outside the supporting frame, the wind generator generates industrially significant power. The strength and rigidity of the structure with the large dimensions of its rotating aerodynamic parts is provided by the tightening rims 9, their support on the supporting frame on the steeply coaxial section of the columns 3 through the rollers 10 and fixing with additional pressure rollers 11. The last nodes, as well as spring springs 12 are necessary, since large diameters of the rims 9 it is impossible to achieve their ideal geometric parameters, there is always some ovality and deviations in the horizontal plane.

Оснащение траверс 6 лопатками 7, при вращении создающими поднимающийся воздушный поток, позволяет организованно и в оптимальном направлении, а именно вертикально вверх, выводить из объема и окружающего ортогональную турбину пространства отработанные массы воздуха, снизив тем самым нестабильность вращения ортогональной турбины и вероятность вибраций элементов конструкции, подверженных данному явлению по аэродинамическим причинам.Equipping the traverse 6 with blades 7, during rotation creating a rising air flow, allows organized and in the optimal direction, namely vertically upwards, to remove the exhausted air masses from the volume and the space surrounding the orthogonal turbine, thereby reducing the instability of rotation of the orthogonal turbine and the likelihood of vibration of structural elements, subject to this phenomenon for aerodynamic reasons.

Зонтичный каркас виндротора позволяет использовать турбины, в которых большой крутящий момент создается за счет значительного диаметра окружности, описываемой ортогонально-парусными элементами. В тех же устройствах, где эта задача обеспечивается высотой турбины, из-за разницы в скоростях ветра нижних и верхних слоев воздуха наблюдаются дополнительные напряжения конструкции.The umbrella frame of the wind rotor allows the use of turbines in which a large torque is created due to the significant diameter of the circle described by orthogonal-sailing elements. In the same devices where this task is ensured by the height of the turbine, additional structural stresses are observed due to the difference in wind speeds of the lower and upper layers of air.

Главным фактором, сдерживающим развитие ветроэнергетики, является высокая себестоимость получаемого из возобновляемого источника электричества порядка 30-50 руб. против 3-4 руб. за 1 кВт час от сетевого поставщика. Только создание ВЭУ большой промышленной производительности позволит сделать ветроустановки рентабельными. Это однако не значит, что иными факторами, составляющими цену электроэнергии от вертикально-роторных ВЭУ можно пренебречь, в т.ч. затратами на аренду земли под сооружение крупногабаритных установок. Данная слагаемая цены в предлагаемом автономном зонтично-каркасном виндроторе ввиду меньшей площади фундамента ниже, чем у его упомянутых прототипов. В целях безопасности вокруг ВЭУ создаются зоны отчуждения. Имея более надежную конструктивно-силовую схему зонтично-каркасный виндротор не требует под это столь значительных по площади земельных участков, как промышленные горизонтально-роторные установки с пропеллерными турбинами и особенно состоящие из них ветропарки.The main factor holding back the development of wind energy is the high cost of about 30-50 rubles received from a renewable source of electricity. against 3-4 rubles. per 1 kW hour from a network provider. Only the creation of a wind turbine of high industrial productivity will make wind turbines profitable. However, this does not mean that other factors making up the price of electricity from vertically rotary wind turbines can be neglected, including land rental costs for the construction of large-sized installations. This price component in the proposed stand-alone umbrella-frame windrotor due to the smaller footprint is lower than that of its mentioned prototypes. For security reasons, exclusion zones are created around the wind turbines. Having a more reliable structural and power scheme, an umbrella-frame wind rotor does not require land plots as large in area as industrial horizontal rotor units with propeller turbines and especially wind parks consisting of them.

Claims (1)

Зонтично-каркасный виндротор, состоящий из несущего каркаса, соосно которому установлен генератор, имеющий вертикальный роторный вал и радиальные траверсы с отвесно закрепленными ортогонально-парусными элементами, стянутыми ободами, опирающимися на колонны каркаса через ролики, отличающийся тем, что ортогонально-парусные элементы расположены снаружи несущего каркаса, имеющего зонтичную конструкцию благодаря наличию в составе его колонн вертикально-осевого, горизонтально-радиального и отвесно-коаксиального участков, траверсы оборудованы лопатками, создающими поднимающийся воздушный поток, опорные ролики дополнены аналогичными узлами, прижимающими обода сверху, причем все упомянутые узлы оснащены пружинными рессорами. Umbrella-frame wind rotor, consisting of a supporting frame, coaxially to which a generator is installed, having a vertical rotor shaft and radial traverses with vertically fixed orthogonal-sailing elements, tightened by rims supported on the frame columns through rollers, characterized in that the orthogonal-sailing elements are located outside supporting frame having an umbrella structure due to the presence of vertically axial, horizontally radial and vertical coaxial sections in its columns They are supported by vanes that create a rising air flow, the support rollers are supplemented with similar units that press the rims from above, and all of the mentioned units are equipped with spring springs.

Images