RU2555921C2 - Turbine for wind engines - Google Patents

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, and namely to wind power plants and wind turbines. The turbine for a wind engine contains the top and bottom blades. Between blades at different distances the wings with formation of air ducts between the top and bottom blades are fixed. The forward part of the wing, located closer to the centre, is guiding one, and back higher part of the wing, located further from the centre, is an air inlet. Each wing includes the top and bottom wings. The top wing is designed with a possibility of change of distance and an angle with reference to the bottom wing.

EFFECT: increase of the working area of turbine with design simplification at the same time.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к ветряным электростанциям и ветряным турбинам, и предназначено для использования в ветроэнергетических установках различной мощности на жилых и производственных помещениях, на столбах освещения, на надводном и наземном транспорте.The invention relates to the electric power industry, namely to wind power plants and wind turbines, and is intended for use in wind power plants of various capacities in residential and industrial premises, on lighting poles, on surface and surface vehicles.

Известно ветроколесо, включающее вал с вертикальной осью вращения, снабженный кронштейнами, на которых параллельно оси вала закреплены полые лопасти, имеющие аэродинамический профиль. Каждая лопасть имеет замкнутый профиль лишь в серединной по высоте лопасти части, а ее развертка в вертикальной плоскости имеет вид осесимметричной фигуры, одна из сторон которой, ориентируемая вдоль оси вала, является ее основанием и превышает высоту фигуры, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания (RU 2140013, кл. F03D 3/06, опубликовано 20.10.1999).A wind wheel is known, including a shaft with a vertical axis of rotation, equipped with brackets on which hollow blades having an aerodynamic profile are fixed parallel to the shaft axis. Each blade has a closed profile only in the mid-height part of the blade, and its sweep in the vertical plane has the form of an axisymmetric figure, one of the sides of which, oriented along the axis of the shaft, is its base and exceeds the height of the figure, while the figure has a shape that narrows along the distance from the base (RU 2140013, CL F03D 3/06, published on 10/20/1999).

Известное ветроколесо характеризуется недостаточной рабочей площадью и неустойчивостью при порывистых ветрах.A known wind wheel is characterized by insufficient working area and instability in gusty winds.

Также известна турбина, содержащая втулку сферической формы с укрепленными на ней лопастями и установленную на оси. Лопасти закреплены на втулке под углами к оси с образованием вертикальных и горизонтальных лопастей, последние из которых установлены под отрицательными углами с выносом вперед к набегающей струе и формированием зауженного сечения, а вертикальные представляют собой продолжение горизонтальных и укреплены под положительными углами (RU 2063540, кл. F03D 1/06, опубликовано 10.07.1996).Also known is a turbine comprising a spherical-shaped sleeve with blades mounted on it and mounted on an axis. The blades are mounted on the sleeve at angles to the axis with the formation of vertical and horizontal blades, the last of which are installed at negative angles with the extension to the oncoming jet and the formation of a narrowed section, and the vertical ones are a continuation of horizontal and strengthened at positive angles (RU 2063540, cl. F03D 1/06, published July 10, 1996).

Известная турбина сложна в изготовлении и не может обеспечить при эксплуатации высокий КПД.The known turbine is difficult to manufacture and cannot provide high efficiency during operation.

В качестве ближайшего аналога выбрана ветровая турбина с вертикальной осью и радиальными воздушными камерами, содержащая диск, снабженный верхними и нижними радиальными лопастями и внешними лопастями. При вращении диска упомянутые лопасти максимально развертываются с образованием ряда воздушных камер. В секциях, вращающихся в противоположном направлении, силы фрикционного сопротивления минимальны за счет складывания лопастей (WO 2010/085019, кл. F03D 3/06, опубликовано 29.07.2010).A wind turbine with a vertical axis and radial air chambers containing a disk equipped with upper and lower radial blades and external blades was chosen as the closest analogue. When the disk rotates, the said blades expand to the maximum with the formation of a number of air chambers. In sections rotating in the opposite direction, the frictional resistance forces are minimal due to folding of the blades (WO 2010/085019, class F03D 3/06, published July 29, 2010).

Недостатком взятого за ближайший аналог решения является сравнительно малая рабочая площадь лопастей, большой шум и износ деталей при развертывании внешних лопастей, а также возможность образования воздушной пробки из-за необеспеченности турбины воздуховодами.The disadvantage of the solution taken as the closest analogue is the relatively small working area of the blades, a lot of noise and wear of parts when deploying external blades, as well as the possibility of air congestion due to the lack of turbine ducts.

Задача изобретения состоит в увеличении производства электроэнергии в ветряных электродвигателях. Эта задача обеспечена техническим результатом, направленным на увеличение рабочей площади турбины и создание условий, при которых максимально задействован направленный на турбину поток воздуха.The objective of the invention is to increase the production of electricity in wind motors. This task is ensured by a technical result aimed at increasing the turbine's working area and creating conditions under which the air flow directed to the turbine is maximally involved.

Кроме того, предложенная конструкция турбины проще в изготовлении, чем ближайший аналог.In addition, the proposed design of the turbine is easier to manufacture than the closest analogue.

Названный технический результат достигнут в изобретении с помощью следующих признаков.The named technical result is achieved in the invention using the following features.

Турбина для ветродвигателя установлена на вертикальном валу и содержит диск с верхней и нижней лопатками, между которыми на разных расстояниях закреплены крылья с образованием воздуховодов между верхними и нижними лопатками таким образом, что передняя часть крыла, расположенная ближе к центру, является направляющей, а задняя более высокая часть крыла, расположенная дальше от центра, является воздухозаборником, каждое крыло включает верхнее и нижнее крылья, при The turbine for the wind turbine is mounted on a vertical shaft and contains a disk with upper and lower blades, between which wings are fixed at different distances with the formation of air ducts between the upper and lower blades in such a way that the front part of the wing, located closer to the center, is the guide, and the back is more the high part of the wing, located further from the center, is an air intake, each wing includes upper and lower wings, with

этом верхнее крыло выполнено с возможностью изменения расстояния и угла по отношению к нижнему крылу.this upper wing is made with the possibility of changing the distance and angle with respect to the lower wing.

На турбину установлена направляющая крышка, закрывающая ту половину турбины, которая двигается против ветра, и имеющая направляющее крыло для направления воздушного потока на рабочую часть турбины.A guide cover is installed on the turbine, which covers that half of the turbine, which moves against the wind, and has a guide wing for directing the air flow to the working part of the turbine.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена турбина (вид сверху); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - раздвижное крыло; на фиг. 4 - турбина с крышкой.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows a turbine (top view); in FIG. 2 is a section AA in FIG. one; in FIG. 3 - a sliding wing; in FIG. 4 - turbine with a cover.

Изображенная на фиг. 1 турбина для ветряного двигателя включает установленный на валу диск с закрепленными на нем нижней 1 и верхней 2 лопатками (лопастями), развернутыми относительно горизонтальной плоскости по направлению одна к другой (фиг. 2), при этом одна из лопаток, например, нижняя жестко соединена с диском, а другая - шарнирно.Depicted in FIG. 1 a turbine for a wind engine includes a disk mounted on the shaft with the lower 1 and upper 2 blades (blades) mounted on it, deployed relative to the horizontal plane in the direction one to the other (Fig. 2), while one of the blades, for example, the lower one, is rigidly connected with a disc, and the other - articulated.

Между этими лопатками установлены парные раздвижные крылья, каждое из которых состоит из верхнего 3 и нижнего 4 крыльев, имеющих трапецеидальную в плане форму (фиг. 3), при этом каждое верхнее крыло закреплено на лопатке 2, а каждое нижнее - на лопатке 1. Крылья могут быть дугообразно изогнутыми.Between these blades are paired sliding wings, each of which consists of the upper 3 and lower 4 wings having a trapezoidal shape in plan (Fig. 3), with each upper wing mounted on the blade 2, and each lower wing on the blade 1. Wings can be arched.

Между лопатками 1 и 2 и крыльями образованы отсеки для прохождения воздуха - воздуховоды 5.Between the blades 1 and 2 and the wings are formed compartments for the passage of air - air ducts 5.

Самое дальнее от центра турбины крыло (последнее), расположенное с внешней стороны турбины, также состоит из верхнего 6 и нижнего 7 крыльев (фиг. 2). Как показано на фиг. 1, передний край каждой последующей лопатки выступает за контур предыдущей лопатки, а стрелкой показано направление вращения турбины под действием набегающего потока воздуха. Т.о. последнее крыло обеспечивает забор воздушного потока на всю его высоту. При этом крылья 6 и 7, как и остальные крылья 3 и 4, развернуты таким образом, что их меньшие стороны 8 (фиг. 3) установлены ближе к центру турбины, а противоположные им стороны 9 - дальше от центра турбины. В The wing farthest from the center of the turbine (the last), located on the outside of the turbine, also consists of the upper 6 and lower 7 wings (Fig. 2). As shown in FIG. 1, the leading edge of each subsequent blade extends beyond the contour of the previous blade, and the arrow shows the direction of rotation of the turbine under the action of an incoming air flow. T.O. the last wing provides air intake at its entire height. Moreover, the wings 6 and 7, as well as the other wings 3 and 4, are deployed in such a way that their smaller sides 8 (Fig. 3) are installed closer to the center of the turbine, and the opposite sides 9 are further away from the center of the turbine. AT

результате этого передняя часть каждого парного крыла со стороны 8 обеспечивает направление движения потока воздуха в сторону центра турбины, а задняя, более высокая часть этого крыла со стороны 9, является воздухозаборником. При этом воздушный поток, который попадает в турбину сверху и с боков, сжимается, а крылья его направляют через воздуховоды 5 в следующую часть турбины.As a result, the front of each pair of wings from side 8 provides the direction of air flow towards the center of the turbine, and the rear, higher part of this wing from side 9, is an air intake. In this case, the air flow that enters the turbine from above and from the sides is compressed, and its wings are guided through air ducts 5 to the next part of the turbine.

На фиг. 2 штриховыми линиями показана общая рабочая площадь изображенной части турбины, которая составляет:In FIG. 2 dashed lines show the total working area of the depicted part of the turbine, which is:

S=S1+S2+S3, S = S1 + S2 + S3,

где S - общая рабочая площадь;where S is the total working area;

S1 - рабочая площадь верхней лопатки;S1 is the working area of the upper scapula;

S2 - рабочая площадь нижней лопатки;S2 is the working area of the lower scapula;

S3 - рабочая площадь видимой части крыльев.S3 - working area of the visible part of the wings.

Если принять рабочую площадь крыльев приблизительно за одну треть общей рабочей площади, изображенной на фиг. 3, части турбины, то можно сделать вывод об увеличении давления на эту часть турбины на треть, а с учетом того, что поток воздуха, прошедший через воздуховод, попадает в следующую часть турбины и создает дополнительное давление на ее элементы, обеспечивается возможность существенного увеличения производительности ветряных двигателей, для которых предназначена предложенная турбина.If we take the wing working area for approximately one third of the total working area shown in FIG. 3, parts of the turbine, we can conclude that the pressure on this part of the turbine increases by a third, and taking into account the fact that the air flow passing through the duct enters the next part of the turbine and creates additional pressure on its elements, it is possible to significantly increase productivity wind turbines for which the proposed turbine is intended.

Для обеспечения регулирования положения верхнего крыла 3 (6) относительно нижнего 4 (7) и, следовательно, лопаток 1 и 2 относительно друг друга служат образованные в крыльях и вытянутые вдоль их сторон 8 и 9 регулировочные отверстия 10 (фиг. 3), в которые для обеспечения фиксации вставляются болты с гайками. Благодаря этому обеспечена возможность изменения как расстояния, так и угла поворота между верхними и нижними частями парных крыльев. Длинные стороны 11 верхних крыльев закреплены на лопатке 2, а длинные стороны 12 нижних крыльев закреплены на лопатке 1.To ensure regulation of the position of the upper wing 3 (6) relative to the lower 4 (7) and, therefore, the blades 1 and 2 relative to each other, the adjustment holes 10 (formed in the wings and elongated along their sides 8 and 9) are used (FIG. 3), into which bolts with nuts are inserted to ensure fixation. Thanks to this, it is possible to change both the distance and the angle of rotation between the upper and lower parts of the twin wings. The long sides 11 of the upper wings are fixed on the blade 2, and the long sides 12 of the lower wings are fixed on the blade 1.

Такая конструкция крыльев позволяет изменять величину воздуховодов 5 и регулировать рабочую площадь как лопаток турбины, так и крыльев.This design of the wings allows you to change the size of the ducts 5 and to adjust the working area of both the turbine blades and the wings.

Согласно варианту устройства, предназначенному для электромобилей, железнодорожного и морского транспорта, турбина снабжена крышкой 13 с направляющим крылом 14 (фиг. 4). Крышка 13 в виде короба установлена снаружи верхней и нижней частей турбины, закрывая ту ее половину, лопатки которой направлены против воздушного потока, а крыло 12 обеспечивает направление этого потока на лопатки открытой части турбины. Таким образом, повышение эффективности работы турбины обеспечивается благодаря решению сразу двух проблем, а именно: исчезновению сопротивления воздуха, воздействующего на часть турбины, крутящуюся против ветра, и направлению потока воздуха на рабочую часть турбины, крутящуюся в соответствии с направлением ветра.According to a variant of the device intended for electric vehicles, rail and sea transport, the turbine is provided with a cover 13 with a guide wing 14 (Fig. 4). A cover 13 in the form of a box is installed outside the upper and lower parts of the turbine, covering that half of which the blades are directed against the air flow, and the wing 12 ensures the direction of this flow on the blades of the open part of the turbine. Thus, increasing the turbine's operational efficiency is ensured by solving two problems at once, namely, the disappearance of air resistance acting on the part of the turbine rotating against the wind, and the direction of the air flow on the working part of the turbine rotating in accordance with the direction of the wind.

На движущемся транспортном средстве, когда ветер дует навстречу, и в стационарных условиях местности, где направление ветра постоянно, турбину как с крышкой, так и без нее можно устанавливать вертикально. На транспортных средствах предложенную турбину различных размеров можно устанавливать как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Генератор может быть как встроенным в транспортное средство, так и отдельно стоящим, связанным с турбиной через коробку передач.On a moving vehicle, when the wind is blowing towards you, and in stationary terrain conditions where the wind direction is constant, the turbine with or without a cover can be installed vertically. On vehicles, the proposed turbine of various sizes can be installed both horizontally and vertically. The generator can be either integrated into the vehicle or stand-alone, connected to the turbine through the gearbox.

Для освещения улиц предложенную турбину можно устанавливать на осветительных столбах.For street lighting, the proposed turbine can be installed on lighting poles.

Для компактности и еще большего увеличения рабочей площади возможно использование двойной турбины, состоящей из двух зеркально расположенных друг относительно друга идентичных по конструкции вышеописанной турбин, что также будет способствовать повышению эффективности ее работы.For compactness and even greater increase in the working area, it is possible to use a double turbine, consisting of two mirrors identical in design to the turbines described above, which will also help increase its efficiency.

Для жилых домов турбина может быть встроена в крышу.For residential buildings, the turbine can be integrated into the roof.

Claims (2)

1. Турбина для ветродвигателя, содержащая верхние и нижние лопатки, между которыми на разных расстояниях закреплены крылья с образованием воздуховодов между верхними и нижними лопатками таким образом, что передняя часть крыла, расположенная ближе к центру, является направляющей, а задняя более высокая часть крыла, расположенная дальше от центра, является воздухозаборником, каждое крыло включает верхнее и нижнее крылья, при этом верхнее крыло выполнено с возможностью изменения расстояния и угла по отношению к нижнему крылу.1. A turbine for a wind turbine, comprising upper and lower blades, between which wings are fixed at different distances with the formation of air ducts between the upper and lower blades in such a way that the front part of the wing located closer to the center is the guide, and the rear part is higher, located farther from the center is an air intake, each wing includes upper and lower wings, while the upper wing is configured to change the distance and angle with respect to the lower wing. 2. Турбина по п. 1, на которую установлена направляющая крышка, закрывающая ту половину турбины, которая двигается против ветра, и имеющая направляющее крыло для направления воздушного потока на рабочую часть турбины. 2. The turbine according to claim 1, on which a guide cover is installed that covers the half of the turbine that moves against the wind and has a guide wing for directing air flow to the working part of the turbine.

Images