RU2784255C1

RU2784255C1 - Wind power plant with two wind wheels

Info

Publication number: RU2784255C1
Application number: RU2022111366A
Authority: RU
Inventors: Руслан Сергеевич Цгоев
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2022-11-23

Abstract

FIELD: wind energy.

SUBSTANCE: invention relates to wind energy. A wind power plant (WPP) with two wind wheels containing an equal number of blades, wind wheel hubs, an electric generator, the stator winding of which is connected to the power system. The WPP is equipped with a gear unit, each wind wheel is connected through its shaft to its input to the gear unit, the output of which is connected to an electric generator, while these shafts are located at an angle δ to each other, providing the largest total swept area of the wind wheels. The gear unit is made with the possibility of synchronous rotation of said shafts in different directions so that the blade of one wind wheel passes in the middle of two adjacent blades of another wind wheel without touching its hub fairing. In the gear unit, the wind wheel shafts are interconnected by a bevel gear, and the output of the gear unit forms a continuation of one of the wind wheel shafts. The angle δ between the shafts is equal to δ=2arctg[(L/2)/C], where L is the distance between the hubs of the wind wheels, C is the distance between the middle of the distance L between the hubs of the wind wheels and between the point of conditional intersection of the shafts of the wind wheels.

EFFECT: invention provides an increase in electricity generation due to an increase in the area swept by the windwheels and due to the proximity of the windwheel rotation planes.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относятся к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ) с двумя ветроколесами.The invention relates to wind energy and can be used in wind power plants (wind turbines) with two wind wheels.

Известно устройство-аналог (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат.1990. На стр. 241 задача 9.7 и ее решение на стр. 242) в виде ветроэнергетической установки с двумя соосными ветроколесами с вращением их в разные стороны. Согласно линейной теории при расположении двух идеальных ветроколес одного диаметра последовательно и удаленно друг от друга удается достичь максимального коэффициента мощности С_P=0.64. Для одного идеального ветроколеса согласно той же теории максимальный коэффициент мощности равен критерию Жуковского-Бетца, т.е. равен С_Pмах=16/27=0.593 (по сути, это КПД одного идеального ветроколеса). Таким образом, для двух ветроколес выигрыш по мощности составляет примерно 5%, т.е. использование ветроэнергетической установкой энергии ветра увеличилось тоже на 5%.An analogue device is known (Twydell J., Weir A. Renewable energy sources.: Per. from English. - M.: Energoatomizdat.1990. On page 241, task 9.7 and its solution on page 242) in the form of a wind turbine with two coaxial wind wheels with their rotation in different directions. According to the linear theory, when two ideal wind wheels of the same diameter are located in series and far from each other, it is possible to achieve the maximum power factor C _P = 0.64. For one ideal wind wheel, according to the same theory, the maximum power factor is equal to the Zhukovsky-Betz criterion, i.e. is equal to C _Pmax =16/27=0.593 (in fact, this is the efficiency of one ideal wind turbine). Thus, for two wind turbines, the power gain is approximately 5%, i.e. The use of wind energy by the wind power plant also increased by 5%.

Недостатком устройства-аналога является недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра.The disadvantage of the analogue device is the underutilization of wind energy by the wind power plant.

Известен прототип (Патент РФ №2522256, МПК F03D 7/02, опубликовано 10.07.2014, Бюл.№19), согласно которому способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) основан на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения одновременно работающих двух соосных ветроколес с равными числами n лопастей, оба ветроколеса синхронно вращают в одну и ту же сторону, измеряют угол α между продольными осями, например, первых лопастей обоих ветроколес при скорости ветра, когда ветроэнергетическая установка развивает мощность, равную или превышающую номинальную мощность, устанавливают второе ветроколесо по отношению к первому при угле α≈0, при скорости ветра, когда ВЭУ развивает мощность, меньшую номинальной мощности, по мере снижения скорости ветра пропорционально увеличивают значение угла α так, чтобы при минимальной рабочей скорости установилось значение

.A prototype is known (RF Patent No. 2522256, IPC F03D 7/02, published on 10.07.2014, Bull. No. 19), according to which the method of controlling a wind power plant (WPP) is based on the fact that a wind speed signal is generated at the height of the rotation axis of simultaneously operating two coaxial wind wheels with equal numbers n of blades, both wind wheels synchronously rotate in the same direction, measure the angle α between the longitudinal axes, for example, the first blades of both wind wheels at wind speed, when the wind turbine develops power equal to or greater than the rated power, set the second wind wheel with respect to the first one at an angle α≈0, at wind speed, when the wind turbine develops power less than the rated power, as the wind speed decreases, the value of the angle α is proportionally increased so that at the minimum operating speed the value

.

При этом ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, датчик скорости ветра, вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, дополнительно снабжена блоком управления углом между ветроколесами, расположенным на общем валу ветроколес, а управляющий вход блока управления углом между ветроколесами соединен с выходом датчика скорости ветра.At the same time, a wind power plant with two wind wheels, containing wind wheel blades, hubs and a common wind wheel shaft, an electric generator, a power system, a wind speed sensor, the wind wheel shaft is connected to the power generator shaft, the stator winding of which is connected to the power system, is additionally equipped with a control unit for the angle between the wind wheels located on the common shaft of the wind wheels, and the control input of the angle control unit between the wind wheels is connected to the output of the wind speed sensor.

Кроме того, блок управления углом между ветроколесами выполнен в виде функционального блока формирования сигнала об угле между ветроколесами, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра через управляющий вход блока управления углом между ветроколесами, а выход соединен с первым входом регулятора угла между ветроколесами, второй вход которого соединен с выходом датчика угла между ветроколесами, выход регулятора угла между ветроколесами соединен с управляющим входом полупроводникового преобразователя частоты, силовой вход которого соединен с источником питания, а силовой выход соединен со статорной обмоткой электродвигателя, вал которого соединен с системой передачи "винт - гайка", гайка которого соединена с подвижным элементом датчика угла между ветроколесами и через подшипниковый узел со ступицей второго ветроколеса, образующей с валом винтовую шлицевую пару.In addition, the angle control unit between the windwheels is made in the form of a functional block for generating a signal about the angle between the windwheels, the input of which is connected to the output of the wind speed sensor through the control input of the angle control unit between the windwheels, and the output is connected to the first input of the angle regulator between the windwheels, the second input which is connected to the output of the angle sensor between the wind wheels, the output of the angle regulator between the wind wheels is connected to the control input of the semiconductor frequency converter, the power input of which is connected to the power source, and the power output is connected to the stator winding of the electric motor, the shaft of which is connected to the "screw - nut" transmission system , the nut of which is connected to the movable element of the angle sensor between the wind wheels and through the bearing assembly with the hub of the second wind wheel, forming a screw spline pair with the shaft.

Недостатком прототипа является то, что при использовании в современных ветроэнергетических установках большой мощности лопастей длиной до 50 м. и более, из-за близкого расположении плоскостей вращения ветроколес при α≈0 возможен перехлест лопастей, так как при порывах ветра отклонения концов лопастей от нормальной плоскости вращения составляет до нескольких метров, что снижает надежность работы ветроэнергетической установки.The disadvantage of the prototype is that when using in modern wind turbines high power blades up to 50 m or more, due to the proximity of the planes of rotation of the wind wheels at α≈0, overlapping of the blades is possible, since with gusts of wind the deviations of the ends of the blades from the normal plane rotation is up to several meters, which reduces the reliability of the wind turbine.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности работы ветроэнергетической установки при повышенном коэффициенте использования энергии ветра и увеличенной выработке электроэнергии.The technical problem solved by the invention is to improve the reliability of the wind power plant with an increased utilization of wind energy and increased electricity generation.

Технический результат, заключающийся в обеспечении наибольшей суммарной ометаемой площади ветроколес при повышенном коэффициенте использования энергии ветра, достигается тем, что ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащими равное число лопастей, ступицы ветроколес с обтекателями, электрогенератор, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, снабжена блоком зубчатых передач, каждое ветроколесо через свой вал соединен со своим входом в блок зубчатых передач, выход которого соединен с электрогенератором, при этом указанные валы расположены под углом δ друг к другу, блок зубчатых передач выполнен с возможностью синхронного вращения указанных валов в разные стороны так, чтобы лопасть одного ветроколеса проходила в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы.The technical result, which consists in providing the largest total swept area of the wind wheels with an increased coefficient of use of wind energy, is achieved by the fact that a wind power plant with two wind wheels containing an equal number of blades, wind wheel hubs with fairings, an electric generator, the stator winding of which is connected to the power system, is equipped with a block of gear gears, each wind wheel through its shaft is connected to its input to the gear unit, the output of which is connected to the electric generator, while these shafts are located at an angle δ to each other, the gear unit is made with the possibility of synchronous rotation of these shafts in different directions so that the blade of one wind wheel passed in the middle of two adjacent blades of the other wind wheel without touching its hub fairing.

Кроме того, в блоке зубчатых передач валы ветроколес соединены между собой конической зубчатой передачей, а выход блока зубчатых передач образует продолжение одного из валов ветроколес.In addition, in the gear unit, the wind wheel shafts are interconnected by a bevel gear, and the output of the gear unit forms a continuation of one of the wind wheel shafts.

Кроме того, угол δ между валами равен δ=2arctg [(L/2)/C], где L - расстояние между ступицами ветроколес, С - расстояние между серединой L - расстояния между ступицами ветроколес, и между точкой условного пересечения валов ветроколес.In addition, the angle δ between the shafts is equal to δ=2arctg [(L/2)/C], where L is the distance between the hubs of the wind wheels, C is the distance between the middle of L - the distance between the hubs of the wind wheels, and between the point of conditional intersection of the shafts of the wind wheels.

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.The proposed device is schematically shown in the figures.

На Фиг. 1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами.On FIG. 1 shows a general diagram of a wind power plant with two wind wheels.

На Фиг. 2 представлены график отношения суммарной ометаемой площади двумя ветроколесами предлагаемого устройства к ометаемой площади одного ветроколеса S_Σ/(π⋅R²)=f(δ) в относительных единицах [о.е.] и график расстояния между ступицами ветроколес L[м]=f(δ).On FIG. 2 shows a graph of the ratio of the total swept area by two wind wheels of the proposed device to the swept area of one wind wheel S _Σ /(π⋅R ² )=f(δ) in relative units [r.u.] and a graph of the distance between the hubs of the wind wheels L[m]= f(δ).

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2, содержащими равное число лопастей (например, по три лопасти), ступицы 3 и 4 с обтекателями соответственно ветроколес 1 и 2, электрогенератор 5, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме (на Фиг. 1 не показана). Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами снабжена блоком 6 зубчатых передач. Каждое ветроколесо 1 и 2 через свой вал 7 и 8 соответственно соединен со своим входом в блок 6 зубчатых передач, выход которого соединен с электрогенератором 5. При этом указанные валы 7 и 8 расположены под углом 6 друг к другу. Блок 6 зубчатых передач выполнен с возможностью синхронного вращения указанных валов 7 и 8 в разные стороны так, чтобы лопасть одного ветроколеса проходила в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы. При этом плоскости вращения ветроколес 1 и 2 также расположены под углом δ друг к другу. В блоке 6 зубчатых передач валы 7 и 8 ветроколес 1 и 2 соединены между собой конической зубчатой передачей 9, а выход блока 6 зубчатых передач образует продолжение одного из валов ветроколес. Угол δ между валами 7 и 8 равен δ=2arctg [(L/2)/C], где L - расстояние между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 (на Фиг. 1 - это отрезок прямой АВ), С - расстояние между серединой расстояния L между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 и между точкой условного пересечения валов 7 и 8 ветроклес 1 и 2 (на Фиг. 1- это отрезок прямой NK). На Фиг. 1 приведена гондола 10 ветроустановки (вид сверху).A wind power plant with two wind wheels 1 and 2 containing an equal number of blades (for example, three blades each), hubs 3 and 4 with fairings of wind wheels 1 and 2, respectively, an electric generator 5, the stator winding of which is connected to the power system (not shown in Fig. 1) . The wind power plant with two wind wheels is equipped with a block of 6 gears. Each wind wheel 1 and 2 through its shaft 7 and 8, respectively, is connected to its input to the gear unit 6, the output of which is connected to the electric generator 5. In this case, these shafts 7 and 8 are located at an angle 6 to each other. The gear unit 6 is made with the possibility of synchronous rotation of said shafts 7 and 8 in different directions so that the blade of one wind wheel passes in the middle of two adjacent blades of another wind wheel without touching its hub fairing. In this case, the planes of rotation of the wind wheels 1 and 2 are also located at an angle δ to each other. In the gear unit 6, the shafts 7 and 8 of the wind wheels 1 and 2 are interconnected by a bevel gear 9, and the output of the gear unit 6 forms a continuation of one of the wind wheel shafts. The angle δ between shafts 7 and 8 is equal to δ=2arctg [(L/2)/C], where L is the distance between the hubs 3 and 4 of the wind wheels 1 and 2 (in Fig. 1 this is a straight line segment AB), C is the distance between the middle of the distance L between the hubs 3 and 4 of the wind wheels 1 and 2 and between the point of conditional intersection of the shafts 7 and 8 of the wind wheels 1 and 2 (in Fig. 1 this is a straight line segment NK). On FIG. 1 shows the gondola 10 of the wind turbine (top view).

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами работает следующим образом. Ветровой поток вращает ветроколеса 1 и 2, содержащие равное число лопастей (например, по три лопасти). Через ступицы 3 и 4, валы 7 и 8 и блок 6 зубчатых передач это вращение передается на вал электрогенератора 5, который вырабатываемую электроэнергию отдает в энергосистему. При вращении указанные валы 7 и 8, расположенные под углом 6 друг к другу, обеспечивают наибольшую суммарно ометаемую площадь ветроколес 1 и 2. А блок 6 зубчатых передач (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. T.IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков и др. Под общ. ред. Д.Н. Решетова. 864 с: ил.) благодаря конической зубчатой передаче 9 обеспечивает синхронное вращение указанных валов 7 и 8 в разные стороны так, что лопасть одного ветроколеса проходит в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса (аналогично зубцам в шестеренчатой паре), не задевая его обтекатель ступицы. При этом плоскости вращения ветроколес 1 и 2 расположены также под углом 6 друг к другу.Wind power plant with two wind wheels operates as follows. The wind flow rotates the wind wheels 1 and 2, containing an equal number of blades (for example, three blades). Through the hubs 3 and 4, the shafts 7 and 8 and the gear unit 6, this rotation is transmitted to the shaft of the electric generator 5, which gives the generated electricity to the power system. During rotation, these shafts 7 and 8, located at an angle of 6 to each other, provide the largest total swept area of the wind wheels 1 and 2. A block of 6 gears (1. Mechanical engineering. Encyclopedia. / Editorial advice: K.V. Frolov .) etc. M.: Mashinostroenie 2. Machine parts Structural strength Friction, wear, lubrication T.IV-1 / D.N. Reshetov, A.P. Gusenkov et al. Ed. N. Reshetova, 864 s: ill.), thanks to the bevel gear 9, it ensures the synchronous rotation of the indicated shafts 7 and 8 in different directions so that the blade of one wind wheel passes in the middle of two adjacent blades of the other wind wheel (similar to the teeth in a gear pair), not hitting its hub fairing. In this case, the planes of rotation of the wind wheels 1 and 2 are also located at an angle of 6 to each other.

На Фиг. 2 представлены графики расчетов для ветроустановки с радиусом ветроколеса R=24 м (как у отечественной ветроустановки «Радуга-1») для трех значений С=10; 5; 3 м расстояния между серединой расстояния L между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 и между точкой условного пересечения валов 7 и 8 ветроколес 1 и 2. При этом графики 1; 2; 3 (соответственно при С=10; 5; 3 м) представляют графики отношения суммарной ометаемой площади S_Σ двух ветроколес предлагаемого устройства к ометаемой площади одного ветроколеса S_Σ/(π⋅R²)=f(δ) в относительных единицах [о.е.]. Как следует из графиков, ометаемые ветроколесами площади увеличились соответственно на 14% при δ=55°; на 4% при δ=30° и на 2% при δ=20°. Так как мощность ветроустановки прямо пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом, то на соответствующий процент возрастает и вырабатываемая предлагаемой установкой энергия. График 4; 5 и 6 представляют графики L[м]=f(δ) соответственно при С=10; 5; 3 м. Например, как следует из графика 5 (при С=5 м), при 8=30° расстояние между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 равно L=2.8m. В целом из-за увеличения ометаемой ветроколесами площади и из-за близости плоскостей вращения ветроколес суммарный коэффициента мощности ветроустановки достигает значения С_Р=0.83, т.е. на ~24% больше, чем С_Рмах=0.593 идеального ветроколеса.On FIG. 2 shows the graphs of calculations for a wind turbine with a radius of the wind wheel R=24 m (as in the domestic wind turbine "Rainbow-1") for three values of C=10; 5; 3 m distance between the middle of the distance L between the hubs 3 and 4 of the wind wheels 1 and 2 and between the point of conditional intersection of the shafts 7 and 8 of the wind wheels 1 and 2. In this case, graphs 1; 2; 3 (respectively, at C=10; 5; 3 m) represent graphs of the ratio of the total swept area S _Σ of two wind wheels of the proposed device to the swept area of one wind wheel S _Σ /(π⋅R ² )=f(δ) in relative units [about. e.]. As follows from the graphs, the areas swept by wind wheels increased by 14%, respectively, at δ=55°; by 4% at δ=30° and by 2% at δ=20°. Since the power of the wind turbine is directly proportional to the area swept by the wind wheel, the energy generated by the proposed installation also increases by the corresponding percentage. Chart 4; 5 and 6 are plots of L[m]=f(δ), respectively, at C=10; 5; 3 m. For example, as follows from graph 5 (at C=5 m), at 8=30°, the distance between hubs 3 and 4 of wind wheels 1 and 2 is L=2.8m. In general, due to the increase in the area swept by the wind wheels and due to the proximity of the planes of rotation of the wind wheels, the total power factor of the wind turbine reaches the value C _P = 0.83, i.e. ~24% more than С _Рmax =0.593 of an ideal wind turbine.

Таким образом, предлагаемая ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами при повышении эффективности ветроэнергетической установки повышает и надежность в целом, так как плоскости вращения ветроколес пересекаются так, что лопасть одного ветроколеса проходит в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы при порывах ветра.Thus, the proposed wind power plant with two wind wheels, while increasing the efficiency of the wind power plant, also increases the reliability as a whole, since the planes of rotation of the wind wheels intersect so that the blade of one wind wheel passes in the middle of two adjacent blades of the other wind wheel, without touching its hub fairing during gusts of wind.

Claims

1. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащими равное число лопастей, ступицы втроколес с обтекателями, электрогенератор, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, отличающаяся тем, что она снабжена блоком зубчатых передач, каждое ветроколесо через свой вал соединено со своим входом в блок зубчатых передач, выход которого соединен с электрогенератором, при этом указанные валы расположены под углом δ друг к другу, блок зубчатых передач выполнен с возможностью синхронного вращения указанных валов в разные стороны так, чтобы лопасть одного ветроколеса проходила в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы.1. A wind power plant with two wind wheels containing an equal number of blades, wheel hubs with fairings, an electric generator, the stator winding of which is connected to the power system, characterized in that it is equipped with a gear unit, each wind wheel is connected through its shaft to its input to the gear unit , the output of which is connected to an electric generator, while these shafts are located at an angle δ to each other, the gear unit is made with the possibility of synchronous rotation of these shafts in different directions so that the blade of one wind wheel passes in the middle of two adjacent blades of another wind wheel without touching it hub fairing.

2. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами по п. 1, отличающаяся тем, что в блоке зубчатых передач валы ветроколес соединены между собой конической зубчатой передачей, а выход блока зубчатых передач образует продолжение одного из валов ветроколес.2. A wind power plant with two wind wheels according to claim 1, characterized in that in the gear unit the wind wheel shafts are interconnected by a bevel gear, and the output of the gear unit forms a continuation of one of the wind wheel shafts.

3. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами по п. 1, отличающаяся тем, что угол δ между валами равен δ=2arctg [(L/2)/C], где L - расстояние между ступицами ветроколес, С - расстояние между серединой расстояния между ступицами ветроколес и между точкой условного пересечения валов ветроколес.3. Wind power plant with two wind wheels according to claim 1, characterized in that the angle δ between the shafts is δ=2arctg [(L/2)/C], where L is the distance between the hubs of the wind wheels, C is the distance between the middle of the distance between the hubs windwheels and between the point of conditional intersection of windwheel shafts.