UA25573U - Wind-driven power unit with vertical rotor - Google Patents

Abstract

A wind-driven power unit with vertical rotor in which rotor is arranged as two coaxial cylinders with large number of vertical plate blades fixed on those with constant pitch, it has as well shaft of rotor rotation connected to electric generator through mechanical step-up reducer. Rotor cylinders rotate in opposite directions, that for in lower cylinder blades are turned by angle opposite to angle of turn of blades installed in the upper cylinder. Shaft of lower cylinder is made hollow, there shaft of upper cylinder goes, this is connected through reducer to electric generator.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до вітроенергетики, зокрема, до технічних засобів для перетворення кінетичної 2 енергії вітру у обертальний рух валу з подальшим перетворенням його у електричну енергію, та може бути використана у вітроенергетичних установках для електропостачання споживачів у побутовій, сільськогосподарській та промисловій сферах у якості альтернативного джерела енергії.The useful model refers to wind energy, in particular, to technical means for converting the kinetic 2 energy of the wind into the rotational movement of the shaft with its further conversion into electrical energy, and can be used in wind energy installations for power supply to consumers in the domestic, agricultural and industrial spheres as an alternative source energy

Відома вітроенергетична установка, яка складається з багатолопатевого вітроколеса велосипедного типу, яке встановлено на башті на двох опорах ексцентрично відносно вертикальної осі повороту башти. 710 Цільноповоротна башта переміщується за кільцевою напрямною та встановлюється на вітер за допомогою хвосту з поворотним підпружиненим планом. Обертовий момент передається із зовнішнього ободу вітроколеса через фрикційний ролик з пневматичною шиною на вал генератора, який закріплено на башті. В конструкції цієї вітроенергетичної установки передбачена проточна система охолодження генератора та пристрій для зміни кутів встановлення лопат |див. патент США Мо4330714 з класу ГО307/04 опублікований 18.05.82р.1. 12 Головним недоліком цієї вітроенергетичної установки є значна його вага та великі габаритні розміри, що зумовлено використанням у якості вітроприймального пристрою вітроколеса велосипедного типу, а також специфічною конструкцією поворотного вузла головки вітродвигуна, яка полягає у наступному. Горизонтальна вісь обертання вітроколеса закріплена на двох опорах, виконаних у вигляді похилих стояків, одна з яких розташована безпосередньо перед вітроколесом. У сукупності передня та задня опори вітроколеса утворюють об'ємну ферменну конструкцію значних габаритних розмірів. Внаслідок цього виникає технічна необхідність використовувати у якості поворотного вузла цілу платформу, яку виконано у вигляді кільцевої напрямної значного діаметру. Використання кільцевої напрямної значних розмірів зумовлено також тим, що вітроколесо встановлено ексцентрично відносно вертикальної осі повороту башти. Саме великий діаметр кільцевої напрямної дозволяє зменшити згинаючий момент, який утворює вітроколесо під час тиску на нього повітряного потоку. Отже, великі габаритні розміри установки зумовлені невдосконаленістю її конструкції. Слід також п) зазначити, що система охолодження електричного генератора також має складну конструкцію, оскільки генератор встановлений на поворотній частині платформи, внаслідок чого, обертається разом з опорами під час повороту вітроколеса "на вітер". Це викликає технічну необхідність приймати заходи, що виключають сплутування охолоджуючих трубопроводів. Таким чином, використання двоопорного ексцентрично о встановленого вітроколеса велосипедного типу, а також розміщення електрогенератора на поворотній частині ча башти вітродвигуна, у сукупності приводить до значного збільшення габаритів та ваги відомої вітроенергетичної установки, а також до нерівномірності тиску вітрового потоку на вітроколесо через часткове о його "затінення" передньою опорою, що розташована попереду вітроколеса. оюA well-known wind power plant consists of a bicycle-type multi-blade wind wheel mounted on a tower on two supports eccentric to the vertical axis of rotation of the tower. 710 The all-swivel turret moves behind a ring guide and is set to windward by a pivoting spring-loaded plan tail. The torque is transmitted from the outer rim of the windmill through a friction roller with a pneumatic tire to the generator shaft, which is fixed to the tower. The design of this wind power plant includes a flow cooling system of the generator and a device for changing the angles of installation of the blades | see US patent Mo4330714 from class GO307/04 published on 18.05.82.1. 12 The main disadvantage of this wind power plant is its considerable weight and large overall dimensions, which is due to the use of a bicycle-type wind wheel as a wind-receiving device, as well as the specific design of the rotating unit of the wind engine head, which consists of the following. The horizontal axis of rotation of the windmill is fixed on two supports made in the form of inclined risers, one of which is located directly in front of the windmill. Together, the front and rear supports of the windmill form a three-dimensional truss structure of significant overall dimensions. As a result, there is a technical need to use a whole platform as a rotary unit, which is made in the form of a ring guide of a large diameter. The use of a ring guide of significant dimensions is also due to the fact that the windmill is installed eccentrically relative to the vertical axis of rotation of the tower. It is the large diameter of the ring guide that allows to reduce the bending moment, which is formed by the wind wheel during the pressure of the air flow on it. Therefore, the large overall dimensions of the installation are caused by the imperfection of its design. It should also be noted that the cooling system of the electric generator also has a complex design, since the generator is installed on the rotating part of the platform, as a result, it rotates together with the supports during the rotation of the windmill "into the wind". This causes a technical necessity to take measures that exclude entanglement of cooling pipelines. Thus, the use of a two-support eccentrically installed bicycle-type wind wheel, as well as the placement of an electric generator on the rotating part of the wind turbine tower, collectively leads to a significant increase in the dimensions and weight of the known wind power plant, as well as to the uneven pressure of the wind flow on the wind wheel due to its partial " shading" by the front support located in front of the windmill. oh

Цей недолік усунений у вітроенергетичній установці, яка містить вітроколесо крильчастого типу з поворотними лопатами, консольні кінці яких зв'язані з центральною втулкою вітроколеса за допомогою розтяжок. сThis drawback is eliminated in the wind power plant, which contains a vane-type wind wheel with rotating blades, the cantilever ends of which are connected to the central bushing of the wind wheel by means of elastics. with

Поворотна головка з вітроколесом встановлена на вершині вертикальної башти. Обертаючий момент передається з валу вітроколеса через конічну пару і карданний вал на вертикальний вал і, далі, до фундаменту башти на електрогенератор. Встановлення вітроколеса "на вітер" здійснюється за допомогою хвосту, який « поворотне встановлений на підшипникових опорах для попередження поперечних коливань. В конструкції З 70 установки передбачений механізм примусового складання хвосту відносно вертикальної осі башти для виводу с вітроколеса з-під вітру при його буряних швидкостях |див. патент США Мо43705610 з класу РГО30О7/04 з» опублікований 13.09.83р.1.A rotating head with a windmill is mounted on top of a vertical tower. The torque is transmitted from the windmill shaft through the bevel pair and cardan shaft to the vertical shaft and, further, to the foundation of the tower to the electric generator. Installation of the windmill "upwind" is carried out with the help of a tail, which is rotatably mounted on bearing supports to prevent lateral oscillations. In the design of the Z 70 installation, a mechanism for forced folding of the tail relative to the vertical axis of the tower is provided for the removal of the windmill from under the wind at its wind speeds | see US patent Mo43705610 from the class RGO30O7/04 z" published on 13.09.83.1.

Одним з суттєвих недоліків відомої вітроенергетичної установки є те, що її робота викликає значний аеродинамічний шум, поява якого зумовлена наявністю розтяжок попереду лопат вітроколеса. До того ж, зазначені розтяжки порушують ламінарність повітряного потоку, безпосередньо перед вітроколесом, а ді турбулентний потік, як відомо, знижує ефективність роботи вітроприймального пристрою - його потужність сл знижується, оскільки тиск повітря на лопати зменшується та становиться нерівномірним.One of the significant disadvantages of the well-known wind power plant is that its operation causes significant aerodynamic noise, the appearance of which is due to the presence of stretch marks in front of the blades of the windmill. In addition, the mentioned stretch breaks the laminarity of the air flow, directly in front of the wind wheel, and the turbulent flow, as is known, reduces the efficiency of the wind receiving device - its power sl decreases, because the air pressure on the blades decreases and becomes uneven.

Другим недоліком цієї вітроенергетичної установки є досить низький коефіцієнт використання енергії і-й повітряного потоку. Наявність цього недоліку пояснюється наступним. По-перше, оскільки вал вітроколеса -І 20 розташований горизонтально, а електрогенератор розташований біля фундаменту башти, то для передачі обертового моменту від валу вітроколеса до електрогенератора використовується конічна пара, карданний вал с» та вертикальний для зміни напряму обертання (з горизонтального до вертикального). Але передача механічної енергії через конічну пару неефективна, принаймні, внаслідок низького коефіцієнту корисної дії зубчастих конічних передач та високого коефіцієнту тертя у конічній парі, яка, до того ж, при великих швидкостях 29 обертання утворює значний шум. с Цей недолік, а саме, необхідність зміни напряму обертового моменту, а також недолік, вказаний раніше, а саме, необхідність повороту головки "на вітер" є завжди присутніми, майже для всіх вітроенергетичних установок такого типу, тобто установок з лопатевими вітроколесами з горизонтальним валом обертання. Саме такі установки мають досить складні вузли повороту головки та вузол зміни напряму обертового моменту, що 60 суттєво їх ускладнює, збільшує габарити та знижує експлуатаційні характеристики, зокрема, надійність, коефіцієнт використання енергії вітру та збільшує вартість.The second disadvantage of this wind power plant is a rather low coefficient of energy utilization of the i-th air flow. The presence of this shortcoming is explained as follows. Firstly, since the shaft of the windmill -I 20 is located horizontally, and the electric generator is located near the foundation of the tower, a conical pair is used to transfer the torque from the shaft of the windmill to the electric generator, a cardan shaft c" and a vertical one to change the direction of rotation (from horizontal to vertical) . But the transmission of mechanical energy through the bevel pair is inefficient, at least due to the low efficiency of gear bevel gears and the high coefficient of friction in the bevel pair, which, moreover, at high speeds 29 of rotation produces significant noise. c This disadvantage, namely, the need to change the direction of the torque, as well as the disadvantage indicated earlier, namely, the need to turn the head "into the wind", are always present, for almost all wind energy installations of this type, that is, installations with bladed wind wheels with a horizontal shaft rotation. It is such installations that have rather complex nodes for turning the head and the node for changing the direction of the torque, which 60 significantly complicates them, increases the dimensions and reduces operational characteristics, in particular, reliability, the coefficient of wind energy utilization, and increases the cost.

Тому отримали розповсюдження вітроенергетичні установки других типів, які поєднує те, що вони мають вертикальний вал обертання вітроприймального пристрою, у якості якого можуть бути використані різні конструкції ротора Дар'є, ортогональні ротори, ротори Савоніуса, та звичайні багато лопатеві вертикальні 62 ротори.Therefore, wind energy installations of the second type have become widespread, which combine the fact that they have a vertical shaft of rotation of the wind receiving device, as which can be used various designs of Darier rotor, orthogonal rotors, Savonius rotors, and conventional multi-bladed vertical 62 rotors.

Щодо роторів Дар'є та ортогональних роторів, то їх треба спочатку розігнати до мінімальної швидкості обертання. Для цього їхні електрогенератори, звичайно, спочатку працюють у режимі електродвигуна, що розганяє ротор, а лише потім його переключають у режим електрогенератора для вироблення електроенергії.As for Darieu rotors and orthogonal rotors, they must first be accelerated to the minimum speed of rotation. To do this, their electric generators, of course, first work in the mode of the electric motor that accelerates the rotor, and only then it is switched to the mode of the electric generator to generate electricity.

Ця особливість таких вітроенергетичних установок знижує їхню ефективність, потребує певного обслуговування, а враховуючи досить високу конструктивну складність самого ротору (вони мають аеродинамічні профілі лопатей), ці вітроенергетичні установки поки-що не знаходять певного розповсюдження.This feature of such wind power plants reduces their efficiency, requires certain maintenance, and given the rather high structural complexity of the rotor itself (they have aerodynamic profiles of the blades), these wind power plants have not yet found a certain distribution.

Отже, серед вітроенергетичних установок з вертикальним валом обертання вітроприймального пристрою, у якому лопаті також розташовані вертикально, найбільш широке застосування на практиці знаходять установки, у 7/0 яких вітроприймальник виконаний у вигляді ротора Савоніуса або із звичайними радіальними лопатами.So, among wind energy installations with a vertical shaft of rotation of the wind receiving device, in which the blades are also located vertically, the most widely used in practice are installations in which the wind receiver is made in the form of a Savonius rotor or with ordinary radial blades.

Але у всіх вітроенергетичних установок з вертикальним ротором є одна проблема, сутність якої полягає у наступному. Повітряний потік, що набігає, створює певний тиск на весь ротор, але тільки одна частка лопат створює обертовий момент на валу, а саме та, що знаходиться з одного боку від осі, оскільки лопаті, що знаходяться з іншого боку від осі, рухаються назустріч вітру та чинять опір обертанню ротору. Тому цю частину 7/5 ротору приховують або "притінюють" різноманітними пристроями.But all wind turbines with a vertical rotor have one problem, the essence of which is the following. The onrushing airflow exerts some pressure on the entire rotor, but only one portion of the blades creates a torque on the shaft, namely the one on one side of the axis, because the blades on the other side of the axis move into the wind and resist the rotation of the rotor. Therefore, this part of the 7/5 rotor is hidden or "shadowed" by various devices.

Наприклад, відома вітроенергетична установка з вертикальним ротором, який містить встановлене на вертикальному валу вітроколесо, що виконане у вигляді циліндричного ободу, на зовнішній поверхні якого радіально закріплені лопаті, та розташований коаксіально йому спрямовуючий апарат, виконаний у вигляді лопаток, які закріплені нерухомо і розташовані відносно вітроколеса таким чином, що їхні проекції на 2о плоскість перерізу вітроколеса за діаметром перекривають одна другу |див. патент України Мо7315 з класуFor example, a wind energy installation with a vertical rotor is known, which contains a wind wheel installed on a vertical shaft, made in the form of a cylindrical rim, on the outer surface of which blades are radially fixed, and a steering device located coaxially to it, made in the form of blades, which are fixed fixedly and located relative to windmills in such a way that their projections on 2 o plane of the cross-section of the windmill in diameter overlap each other | see patent of Ukraine Mo7315 from the class

ЕО301/04 опублікований 30.06.95р.1.EO301/04 published on June 30, 1995.1.

Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки невдосконаленість конструкції спрямовуючого апарату. Цей недолік обумовлений наявністю в апараті великої кількості лопаток, що занадто підвищує трудомісткість його виготовлення, а розташування цих лопаток під певним кутом збільшує діаметр вітроприймальника на 2095, що призводить до збільшення його габаритів за діаметром та ваги у цілому.The main drawback of the known wind power plant is the imperfection of the design of the steering device. This disadvantage is due to the presence of a large number of blades in the device, which increases the labor intensity of its manufacture too much, and the location of these blades at a certain angle increases the diameter of the wind receiver by 2095, which leads to an increase in its dimensions in terms of diameter and overall weight.

Враховуючи, що ротор звичайно встановлюють на щоглі, збільшення його ваги та габаритів, вимагає о, використовувати більш міцнішу щоглу, оскільки зростає згинаючий момент та опір повітряному потоку. Тому подальше вдосконалення вітроенергетичних установок такого класу пішло шляхом зменшення спрямовуючого апарату за рахунок принципової зміни його конструкції. с зо Так, наприклад, відома вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якості якого обрано роторGiven that the rotor is usually installed on a mast, the increase in its weight and dimensions requires the use of a stronger mast, as the bending moment and resistance to the air flow increase. Therefore, the further improvement of wind energy installations of this class proceeded by reducing the steering device due to a fundamental change in its design. с зо So, for example, a wind energy installation with a vertical rotor is known, the rotor of which is chosen as the quality

Савоніуса з вертикальною віссю обертання, виготовлений у вигляді вертикального вала, вертикальними - лопатями, причому ротор виконаний двосекційним з однаковим напрямом обертання кожної секції, атакожротор МУ розташований в середині поворотного циліндричного дефлектора-концентратора з вікнами на боковій поверхні, виконаними симетричними з кутом розхилу 80-1102, а дефлектор-концентратор розміщений між верхнім и нижнім о Концентраторами вітрового потоку, виконаними у вигляді урізаних конусів з гострим кутом, що сполучені між с собою жорстко вертикальними опорами, розташованими на платформі, а на верхньому концентраторі вітрового потоку встановлений прилад орієнтації за вітровим потоком, кінематично зв'язаний з поворотним приладом дефлектора-концентратора |див. патент України Мо35530 з класу РОЗОЗ3/00, РОЗО3/06 опублікований 15.03.2001р.). «Savonius with a vertical axis of rotation, made in the form of a vertical shaft, vertical - blades, and the rotor is made of two sections with the same direction of rotation of each section, and the rotor of the MU is located in the middle of a rotating cylindrical deflector-concentrator with windows on the side surface, made symmetrical with an angle of inclination of 80- 1102, and the deflector concentrator is placed between the upper and lower o Wind flow concentrators, made in the form of truncated cones with an acute angle, connected to each other by rigidly vertical supports located on the platform, and a wind flow orientation device is installed on the upper wind flow concentrator , kinematically connected to the rotary device of the deflector-concentrator | see patent of Ukraine Mo35530 from class ROZOZ3/00, ROZO3/06 published on March 15, 2001). "

Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки є невелика її установча потужність, що зумовлено (пе) с неможливістю збільшення розмірів ротору такого типу (Савоніуса). Це обумовлено, щонайменше, двома й обставинами. По-перше. Лопать Савоніуса має складний профіль, що викликає певні труднощі його «» виготовлення великих розмірів, зокрема, великої довжини. Саме з цієї причини автори відомої вітроенергетичної установки роблять його багатосекційним (щоб уникнути великої довжини однієї лопаті). Також, при виготовлені такої складнопрофільної лопаті значної ширини, потрібно використовувати нестандартне обладнання. Більш за ка те, установки з малою кількістю лопатей Савоніуса (а їх у відомій установці всього дві), як загальновідомо, відносяться до швидкохідних. Якщо ротор Савоніуса такої установки зробити великим (для збільшення іні потужності, яка залежить від розмірів ротора), то непропорційно зростає відцентрова сила, яка може розірвати «сл ротор, тобто зробити установку небезпечною. Тому вітроенергетичні установки з ротором Савоніуса завжди 5р мають невеликий розмір, що виключає отримання від них великої потужності. Оскільки сьогодні, майжеThe main drawback of the known wind power plant is its small installation power, which is caused by the impossibility of increasing the size of the rotor of this type (Savonius). This is due to at least two circumstances. First. The blade of Savonius has a complex profile, which causes certain difficulties in its "" manufacture of large sizes, in particular, of great length. It is for this reason that the authors of the well-known wind power plant make it multi-sectioned (to avoid the long length of one blade). Also, when manufacturing such a complex-profile blade of considerable width, it is necessary to use non-standard equipment. Moreover, installations with a small number of Savonius blades (and there are only two of them in the known installation), as is well known, belong to high-speed ones. If the Savonius rotor of such an installation is made large (to increase the power, which depends on the size of the rotor), then the centrifugal force increases disproportionately, which can tear the rotor, that is, make the installation dangerous. Therefore, wind power plants with a Savonius rotor always have a small size, which excludes obtaining a large power from them. Because today, almost

Ше індивідуальний споживач, потребує великого енергопостачання через наявність у власності потужної побутової се» та іншої техніки, відома вітроенергетична установка, з-за невеликої потужності не є привабливою для купівлі, а це означає, що й недоцільною до виготовлення у серійному виробництві. Цей недолік усунений у вітроенергетичних установках з багатолопатевими роторами з вертикальною віссю обертання різноманітних КонСструкцій.An individual consumer needs a large energy supply due to the possession of a powerful household appliance and other equipment, a well-known wind power plant is not attractive for purchase due to its small power, which means that it is also impractical for serial production. This drawback is eliminated in wind energy installations with multi-bladed rotors with a vertical axis of rotation of various constructions.

Найбільш близькою за своєю суттю та ефекту, що досягається, і яка приймається за прототип, є с вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з багатою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком перпендикулярно радіусу, причому обидві циліндри мають спільну вісь обертання, завдяки якої обертаються бо разом у один бік, а також вал обертання циліндрів пов'язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор. У якості електрогенератора використаний звичайний електродвигун постійного струму.The closest in nature and the effect that is achieved, and which is taken as a prototype, is a wind power plant with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical plate blades fixed on them with a constant step perpendicular to the radius, and both cylinders have a common axis of rotation, thanks to which they rotate together in one direction, and the shaft of rotation of the cylinders is connected to the electric generator through a mechanical step-up gearbox. An ordinary direct current electric motor is used as an electric generator.

Ця установка має секційний напрямний прилад, який складається з двох жорстко сполучених між собою сегментних обичайок, з однаковими направленими кутами, які охоплюють ротор і зв'язані з флюгерним планом, який слугує для орієнтації напрямного приладу за вітром |див. патент Німеччини Мо3734106 з класу ГО3О3/06 б5 опублікований 27.04.1989р.).This installation has a sectional rudder, which consists of two rigidly connected segmental rods, with the same directional angles, which cover the rotor and are connected to the vane plane, which serves to orient the rudder downwind |see German patent Mo3734106 from the class GO3O3/06 b5 published on April 27, 1989).

Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки є те, що вона модулює низькочастотну вібрацію,The main disadvantage of the known wind power plant is that it modulates low-frequency vibration,

яка, як загальновідома, небезпечна для людини, причому вказана вібрація виникає незважаючи на присутність чи відсутність напрямного пристрою будь-якої конструкції, оскільки її поява обумовлена роботою самого ротору.which, as is well known, is dangerous for humans, and the specified vibration occurs regardless of the presence or absence of a guide device of any design, since its appearance is due to the operation of the rotor itself.

При цьому немає сенсу який ротор використовується: чи це ротор Савоніуса, чи це багатолопатевий ротор.At the same time, it does not make sense which rotor is used: whether it is a Savonius rotor or a multi-blade rotor.

Справа в тому, що вітровий потік навантажує лопать по різному у залежності від кута її нахилу по вітрового потоку. Оскільки лопаті постійно обертаються навколо валу, то вони, звичайно, кожну мить опиняються під різним кутом до напряму повітряного потоку, одна частка якого штовхає лопать, а друга складова тиску діє в напрямі до валу, викликаючи в ньому появу згинаючого моменту, через який вал постійно знаходиться у циклічному режимі згинаючого навантаження, що і викликає появу низькочастотної вібрації. Амплітуду коливань /о валу можна знизити шляхом збільшення кількості лопатей, але це не усуває вібрації. Циклічні коливання валу швидко приводить до втомленості металу, з якого він виготовлений, що зменшує ресурс безпечної роботи вітроенергетичних установок роторного типу. Отже, другим недоліком відомої вітроенергетичної установки є обмеженість ресурсу її безпечної експлуатації з-за можливості поламання валу, що, у свою Чергу, потребує постійного наглядання за технічним станом установки, яке пов'язане зі складним вимірюванням властивостей /5 валу. Всі перелічені негативні явища роблять відому вітроенергетичну установку небезпечною, особливо при поривах вітру та при буряних вітрах, та незручною у експлуатації.The fact is that the wind stream loads the blade differently depending on the angle of its inclination to the wind stream. Since the blades are constantly rotating around the shaft, they are, of course, every moment at a different angle to the direction of the air flow, one part of which pushes the blade, and the second pressure component acts in the direction of the shaft, causing a bending moment in it, due to which the shaft constantly is in the cyclic mode of bending load, which causes the appearance of low-frequency vibration. The amplitude of vibrations /o the shaft can be reduced by increasing the number of blades, but this does not eliminate vibrations. Cyclic oscillations of the shaft quickly lead to fatigue of the metal from which it is made, which reduces the resource of safe operation of rotor-type wind power plants. So, the second drawback of a known wind power plant is the limited resource of its safe operation due to the possibility of shaft breakage, which, in turn, requires constant supervision of the technical condition of the installation, which is connected with the complex measurement of the properties /5 of the shaft. All of the listed negative phenomena make the known wind power plant dangerous, especially during gusts of wind and stormy winds, and inconvenient to operate.

В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення терміну безпечної експлуатації вітроенергетичної установки роторного типу з одночасним усуненням низькочастотної вібрації за рахунок створення врівноважуючих коливань тиску однакових за величиною, але протилежних за знаком (за напрямом дії) шляхомThe useful model is based on the task of increasing the safe operation period of a rotor-type wind power plant with the simultaneous elimination of low-frequency vibration due to the creation of balancing pressure fluctuations of the same magnitude but opposite in sign (in the direction of action) by

Зміни напряму обертання одного з двох циліндрів ротору на протилежний.Changes in the direction of rotation of one of the two rotor cylinders to the opposite.

Рішення поставленої задачі досягається тим, що у вітроенергетичній установці з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з багатою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком, а також вал обертання ротору зв'язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор, згідно з пропозицією, зазначені циліндри ротору обертаються у г протилежних напрямах, для чого у нижньому циліндрі лопаті повернути на кут, протилежний ніж лопаті, що З встановлені у верхнім циліндрі, а також вал нижнього циліндру виконаний пустотілим та через нього проходить вал верхнього циліндру, який зв'язаний через редуктор з електрогенератором. Завдяки протилежному напряму обертання циліндрів ротору з'являється можливість відмовитися від механічного підвищуючого редуктору, оскільки відносна швидкість обертання циліндрів один проти другого зростає у два рази та її вистачатимуть для с зо роботи електрогенератора без механічного редуктору, якщо ротор генератора приєднати до валу одного циліндру, а статор генератору приєднати до валу іншого циліндру. Це дозволяє підвищити коефіцієнт - використання енергії вітрового потоку установкою. Завдяки протилежному напряму обертання циліндрів ротору, ю можливий і інший варіант отримання електричного струму: до валу кожного циліндру підключити незалежний генератор, та саме так задовольняти потреби разом двох споживачів. Крім того, для спрощення конструкції о зв генератора, його ротор (або статор) можна виконати у вигляді набору радіальних парних постійних магнітів, с встановлених з чергуванням магнітної полярності у осьовому напрямі, а статор (або ротор) -у вигляді набору такої ж кількості феромагнітних сердечників з котушками індуктивності, виводи яких з'єднані згідно-послідовно.The solution to the given problem is achieved by the fact that in a wind power plant with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical plate blades fixed on them with a constant pitch, and also the shaft of rotation of the rotor is connected to the electric generator through a mechanical raising reducer, according to the proposal, the specified rotor cylinders rotate in g opposite directions, for which the blades in the lower cylinder should be turned to an angle opposite to the blades installed in the upper cylinder, and the shaft of the lower cylinder is made of a hollow body and the shaft of the upper cylinder passes through it , which is connected through a reducer to an electric generator. Due to the opposite direction of rotation of the rotor cylinders, it becomes possible to abandon the mechanical step-up reducer, since the relative speed of rotation of the cylinders against each other increases twice and will be enough for the continuous operation of the electric generator without a mechanical reducer, if the generator rotor is connected to the shaft of one cylinder, and connect the stator of the generator to the shaft of another cylinder. This makes it possible to increase the coefficient - the use of wind flow energy by the installation. Due to the opposite direction of rotation of the rotor cylinders, another option for obtaining electric current is also possible: connect an independent generator to the shaft of each cylinder, and in this way satisfy the needs of two consumers together. In addition, to simplify the design of the generator, its rotor (or stator) can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets installed with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator (or rotor) in the form of a set of the same number of ferromagnetic cores with inductors, the outputs of which are connected in series.

Оскільки обидві циліндри відрізняються один від іншого лише кутом встановлення лопатей, то вони врівноважують один другого при обертанні та компенсують згинаючий момент на валу, що дозволяє « експлуатувати установку при будь-якій силі вітру без вібрацій. Крім того, обертання циліндрів у різних в с напрямах дозволяє розширити технічні можливості установки взагалі шляхом відмови від механічного редуктора,Since both cylinders differ from each other only in the angle of installation of the blades, they balance each other during rotation and compensate for the bending moment on the shaft, which allows the installation to be operated at any wind strength without vibrations. In addition, the rotation of the cylinders in different directions allows to expand the technical capabilities of the installation in general by abandoning the mechanical gearbox,

Й або використовувати одночасно два електрогенератора, нехай і з механічними редукторами: все однак и?» коефіцієнт використання енергії вітру зростає.Or use two electric generators at the same time, even with mechanical gearboxes: all the same? the wind energy utilization rate is increasing.

Подальша сутність корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, на якому зображене наступне: 45. Фіг - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну установку, що пропонується. Варіант, коли нижній циліндр ко не використовується для вироблення енергії, а тільки стабілізує роботу установки; Фіг.2 - переріз верхнього циліндру ротора; Фіг.3 - переріз нижнього циліндру; Фіг4 - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну о установку, що пропонується. Варіант, коли нижній циліндр використовується окремо для вироблення енергії; с Фіг.5 - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну установку, що пропонується. Варіант, коли верхній циліндр зв'язаний з ротором, а нижній циліндр - зі статором; Фіг.б - схема електрогенератора, вигляд зверху. ш- Вітроенергетична установка, що пропонується, містить опорну ферму 1, на якій вертикально встановлений 4) багатолопатевий ротор, що складається з співвісних верхнього циліндру 2 та нижнього циліндру 3. Вказані циліндри 2 їі З зовні мають однакову конструкцію, що складається з торцевих кілець 4, між якими вертикально розташовані пластинчасті вгнуті лопаті 5. Лопаті 5 встановлені з постійним кроком та під певним кутом. Кожний дв З циліндрів 2 і З мають однакову кількість однакових за розмірами лопатей 5, а також вони на обох циліндрах 2 і З встановлені з однаковим кроком та під однаковим кутом. Різниця лише в тому, що в нижньому циліндрі З с лопаті 5 повернути на кут, протилежний ніж лопаті 5, що встановлені у верхнім циліндрі 2, що забезпечує обертання циліндрів 2 ії З у протилежних напрямах. Завдяки цьому згинаючи сили, що виникають під час обертання верхнього циліндру 2, повністю компенсуються згинаючими силами, що виникають під час обертання бо Нижнього циліндру З, оскільки згинаючі сили, що виникають у обох циліндрах 2 і З абсолютно однакові за величиною, але абсолютно протилежні за напрямом дії, тому й повністю врівноважуються.The further essence of the useful model is explained by the illustrative material, which shows the following: 45. Fig - a general side view of the proposed wind energy installation. Option when the lower cylinder is not used to generate energy, but only stabilizes the operation of the installation; Fig. 2 - section of the upper cylinder of the rotor; Fig. 3 - section of the lower cylinder; Fig. 4 is a general side view of the proposed wind power plant. Option when the lower cylinder is used separately for power generation; c Fig. 5 - a general side view of the proposed wind energy installation. A variant when the upper cylinder is connected to the rotor, and the lower cylinder is connected to the stator; Fig. b - diagram of an electric generator, top view. The proposed wind power plant includes a support truss 1, on which a multi-blade rotor 4) is vertically installed, consisting of the coaxial upper cylinder 2 and the lower cylinder 3. The specified cylinders 2 and З have the same design on the outside, consisting of end rings 4 , between which plate concave blades 5 are vertically located. Blades 5 are installed at a constant pitch and at a certain angle. Each two C cylinders 2 and C have the same number of blades 5 of the same size, and they are also installed on both cylinders 2 and C with the same step and at the same angle. The only difference is that in the lower cylinder Z, the blade 5 is turned to an angle opposite to that of the blade 5 installed in the upper cylinder 2, which ensures the rotation of cylinders 2 and З in opposite directions. Thanks to this, the bending forces arising during the rotation of the upper cylinder 2 are completely compensated by the bending forces arising during the rotation of the Lower cylinder C, since the bending forces arising in both cylinders 2 and C are absolutely equal in magnitude, but absolutely opposite in direction of action, therefore they are completely balanced.

Вертикальний вал 6 обертання нижнього циліндру З виконаний пустотілим (трубчастим, порожнистим) і через нього проходить вертикальний вал 7 верхнього циліндру 2, що забезпечує співвісність обох циліндрів 2 і З незалежно один від другого. Вертикальний вал 7 верхнього циліндру 2 зв'язаний з електрогенератором 8 через 65 механічний підвищуючий редуктор, який схематично зображений у вигляді зубчастій передачі 9. У цьому варіанті виконання вітроенергетичній установки нижній циліндр З не використовується для вироблення енергії, оскільки не зв'язаний з електрогенератором 8. У цьому випадку він призначений лише для стабілізації роботи установки (Фіг.1).The vertical shaft 6 of rotation of the lower cylinder Z is hollow (tubular, hollow) and the vertical shaft 7 of the upper cylinder 2 passes through it, which ensures the alignment of both cylinders 2 and Z independently of each other. The vertical shaft 7 of the upper cylinder 2 is connected to the electric generator 8 through a mechanical step-up reducer 65, which is schematically depicted in the form of a gear 9. In this version of the wind energy installation, the lower cylinder C is not used to generate energy, since it is not connected to the electric generator 8 In this case, it is intended only to stabilize the operation of the installation (Fig. 1).

Оскільки нижній циліндр З обертається незалежно від верхнього циліндра 2, він може бути самостійно наділений аналогічним електрогенератором 8 і зв'язаний з ним через аналогічну зубчасту передачу 9. У цьому варіанті виконання вітроенергетичній установки нижній циліндр З вже використовується одночасно і для вироблення електроенергії і для стабілізації роботи установки (Фіг.4). У цьому випадку одна вітроенергетична установка може задовольняти потреби вже двох споживачів, або одного двома джерелами електропостачання.Since the lower cylinder C rotates independently of the upper cylinder 2, it can be independently endowed with a similar electric generator 8 and connected to it through a similar gear transmission 9. In this version of the wind energy installation, the lower cylinder C is already used simultaneously for generating electricity and for stabilization operation of the installation (Fig. 4). In this case, one wind energy installation can satisfy the needs of two consumers, or one with two sources of electricity supply.

Обертання циліндрів 2 і З у різних напрямах з'являється можливість відмовитися від механічного 7/0 підвищуючого редуктору, оскільки відносна швидкість обертання циліндрів 2 і З один проти другого зростає у два рази та такої швидкості вже вистачає для роботи електрогенератора 8 без механічного редуктору. Для цього ротор електрогенератора 8 приєднують, наприклад, до вертикального валу 7 верхнього циліндру 2, а статор електрогенератора 8 - до вертикального валу 6 нижнього циліндру З (Фіг.5).The rotation of cylinders 2 and З in different directions makes it possible to abandon the mechanical 7/0 step-up gearbox, since the relative speed of rotation of cylinders 2 and З one against the other increases by two times, and this speed is already enough for the operation of the electric generator 8 without a mechanical gearbox. For this, the rotor of the electric generator 8 is connected, for example, to the vertical shaft 7 of the upper cylinder 2, and the stator of the electric generator 8 - to the vertical shaft 6 of the lower cylinder Z (Fig. 5).

У всіх перелічених варіантах виконання установки один з циліндрів 2 або З завжди виконує функцію 15 стабілізатора її роботи, а у останніх двох варіантах виконання - ще і підвищується коефіцієнт використання енергії вітрового потоку, оскільки нижній циліндр З також приймає участь у виробленні електроенергії.In all the listed versions of the installation, one of the cylinders 2 or C always performs the function 15 of the stabilizer of its operation, and in the last two versions of the installation, the coefficient of use of the energy of the wind stream also increases, since the lower cylinder C also participates in the production of electricity.

Для спрощення конструкції електрогенератора 8, його ротор 10 можна виконати у вигляді набору радіальних парних постійних магнітів 11, встановлених з чергуванням магнітної полярності у осьовому напрямі, а статор 12-у вигляді набору такої ж кількості феромагнітних сердечників 13 з котушками індуктивності 14, виводи яких 20 з'єднані згідно-послідовно для складення в них електрорушійний сили.To simplify the design of the electric generator 8, its rotor 10 can be made in the form of a set of radial paired permanent magnets 11 installed with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator 12 in the form of a set of the same number of ferromagnetic cores 13 with inductance coils 14, the outputs of which are 20 connected in series to add electromotive force to them.

Подальша сутність корисної моделі пояснюється спільно з принципом роботи запропонованої вітроенергетичної установки при оснащенні її електрогенератором 8 магнітної конструкції, про яку сказано вище, оскільки робота зі звичайним електрогенератором 8 або двигуном постійного струму добре відома і неодноразово описана у сотнях патентах. 25 Вітровий потік обдуває лопаті 5 верхнього циліндра 2 і нижнього циліндра 3. Під впливом тиску повітря циліндри 2 і З обертаються у протилежних напрямах і перетворюють кінетичну енергію вітру у обертальний рух т вертикальних валів б і 7, які також обертаються у протилежних напрямах. Обертання зазначених вузлів установки у протилежним напрямах повністю усуває низькочастотну вібрацію та стабілізує роботу установки.The further essence of the useful model is explained together with the principle of operation of the proposed wind power plant when it is equipped with an electric generator 8 of magnetic construction, which was mentioned above, since the work with a conventional electric generator 8 or a direct current motor is well known and repeatedly described in hundreds of patents. 25 The wind flow blows the blades 5 of the upper cylinder 2 and the lower cylinder 3. Under the influence of air pressure, cylinders 2 and З rotate in opposite directions and transform the kinetic energy of the wind into the rotational movement of the vertical shafts b and 7, which also rotate in opposite directions. The rotation of the specified units of the installation in opposite directions completely eliminates low-frequency vibration and stabilizes the operation of the installation.

Оскільки один чи обидва вертикальних вала б і 7 пов'язані з електрогенератором 8, останній виробляє с зо електричний струм, який потрапляє до споживачів. Якщо електрогенератор 8 виконаний у вигляді набору магнітів, то він працює наступним чином. Обертальний момент від вертикального валу 7 передається до ротору - із закріпленими на його променях постійними магнітами 11, наприклад, керамічними або феритовими. Магніти ю 11 на основі фериту мають широке розповсюдження, внаслідок їхньої низької вартості та досить простої технології виготовлення. Оскільки постійні магніти 11 на діаметрально протилежних променях мають яскраво о з5 виражену різнойменну полярність, утворюється потужне магнітне поле збудження, яке замикається через с феромагнітні сердечники 13, які радіально закріплені на статорі 12. При цьому утворюється магнітний ланцюг збудження з мінімальним магнітним опором. При обертанні магнітне поле збудження, що утворено постійними магнітами 11, перетинає котушки індуктивності 14 і наводить в них електрорушійну силу. Оскільки котушки індуктивності 14 з'єднані згідно-послідовно, наведена в них електрорушійна сила складається і передається « далі споживачу у якості джерела електроенергії. з с Суттєва відмінність технічного об'єкту, що заявляється, від раніш відомих, полягає в тому, що ротор вітроенергетичної установки виконаний у вигляді двох циліндрів однакової, але дзеркально відображеній ;» конструкції, що обертаються у протилежних напрямах, вертикальні вали яких чи один з них зв'язаний з електрогенератором, виконаним у вигляді набору магнітів. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють стабілізувати роботу установки незалежно від сили вітрового потоку та усунути низькочастотну вібрацію, а ко завдяки протилежним напрямам обертання циліндрів, розширити варіанти отримання електричної енергії з одночасним підвищенням коефіцієнту використання енергії вітрового потоку. Жодна з відомих вітроенергетичних о установок роторного типу не можуть володіти зазначеними властивостями, оскільки їхні ротори або суцільні, або с секційні, але обертаються в один бік, що взагалі не дозволяє отримати вказані властивості. При цьому сутність пропозиції не змінюється при використанні напрямних або "затіняючи" пристроїв та електрогенераторів будь-якоїSince one or both of the vertical shafts b and 7 are connected to the electric generator 8, the latter produces c zo electric current that reaches the consumers. If the electric generator 8 is made in the form of a set of magnets, it works as follows. The torque from the vertical shaft 7 is transmitted to the rotor - with permanent magnets 11 fixed on its beams, for example, ceramic or ferrite. Yu 11 magnets based on ferrite are widely distributed due to their low cost and fairly simple manufacturing technology. Since the permanent magnets 11 on the diametrically opposite beams have a pronounced alternating polarity, a powerful magnetic excitation field is formed, which is closed through the ferromagnetic cores 13, which are radially fixed on the stator 12. At the same time, a magnetic excitation circuit with minimal magnetic resistance is formed. During rotation, the magnetic excitation field formed by permanent magnets 11 crosses the inductor coils 14 and induces an electromotive force in them. Since the inductance coils 14 are connected in series, the electromotive force generated in them is composed and transmitted to the consumer as a source of electricity. The essential difference between the claimed technical object and the previously known one is that the rotor of the wind power plant is made in the form of two identical but mirrored cylinders. structures rotating in opposite directions, the vertical shafts of which or one of them is connected to an electric generator made in the form of a set of magnets. These differences, taken together, make it possible to stabilize the operation of the installation regardless of the strength of the wind flow and eliminate low-frequency vibration, and thanks to the opposite directions of rotation of the cylinders, to expand the options for obtaining electrical energy with a simultaneous increase in the coefficient of use of the energy of the wind flow. None of the known rotor-type wind energy installations can possess the specified properties, since their rotors are either solid or sectional, but rotate in one direction, which does not allow obtaining the specified properties at all. At the same time, the essence of the proposal does not change when using guides or "shadowing" devices and electric generators of any kind

Ш- відомої конструкції, оскільки принцип, на якому здійснюється, стабілізація роботи, гасіння вібрацій та сю розширення технічних можливостей через збільшення варіантів використання від цього не залежить і завжди зберігається.Ш- of a known design, since the principle on which stabilization of work, damping of vibrations and the expansion of technical capabilities due to the increase of options for use are carried out do not depend on this and are always preserved.

До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, можна віднести ов наступне: - підвищення терміну експлуатації за рахунок зменшення втомливості металу на зменшення циклічного с навантаження на вузли установки: - усунення низькочастотної вібрації за рахунок компенсації тиску, що діє на лопаті одного циліндру, тиском, що діє на лопаті другого циліндру; 60 - спрощення конструкції за рахунок використання багатолопатевих циліндрів з простими лопатями; - розширення технічних можливостей за рахунок можливості використання кожного циліндру як окремого джерела енергії; - стабілізація роботи установки за рахунок протилежного обертання циліндрів ротора; - спрощення конструкції електрогенератора за рахунок використання в ньому постійних магнітів для котушок 65 індуктивності для створення електрорушійної сили.The technical advantages of the proposed technical solution, in comparison with the prototype, include the following: - increase in service life due to reduction of metal fatigue due to reduction of cyclic load on installation nodes: - elimination of low-frequency vibration due to compensation of pressure acting on the blade of one cylinder , the pressure acting on the blade of the second cylinder; 60 - simplification of the design due to the use of multi-bladed cylinders with simple blades; - expansion of technical capabilities due to the possibility of using each cylinder as a separate source of energy; - stabilization of the installation due to the opposite rotation of the rotor cylinders; - simplification of the design of the electric generator due to the use of permanent magnets in it for coils of 65 inductances to create electromotive force.

Соціальний ефект від впровадження корисної моделі, в порівнянні з використанням прототипу отримують за рахунок підвищення безпечності установки, як для користувачів, так і для довкілля за рахунок зниження низькочастотної вібрації и за рахунок зниження ймовірності руйнування вузлів установки, а також отримання одночасно двох джерел елестропостачання.The social effect of the introduction of a useful model, in comparison with the use of a prototype, is obtained by increasing the safety of the installation, both for users and for the environment, due to the reduction of low-frequency vibration and the reduction of the probability of destruction of the installation nodes, as well as the simultaneous receipt of two sources of electricity supply.

Економічний ефект від використання запропонованої вітроенергетичної установки, у порівнянні з прототипом, отримують за рахунок зниження вартості установки внаслідок спрощення конструкції лопатей, зменшення вартості електрогенератора та вилучення у деяких випадках механічного редуктору.The economic effect of using the proposed wind energy installation, in comparison with the prototype, is obtained due to the reduction of the installation cost due to the simplification of the design of the blades, the reduction of the cost of the electric generator and the removal of the mechanical gearbox in some cases.

Claims (4)

Формула винаходуThe formula of the invention 1. Вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з великою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком, яка також містить вал обертання ротора, зв'язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор, )5 яка відрізняється тим, що циліндри ротора обертаються у протилежних напрямах, для чого у нижньому циліндрі лопаті повернуті на кут, протилежний куту, на який повернуті лопаті, що встановлені у верхньому циліндрі, а також вал нижнього циліндра виконаний пустотілим та через нього проходить вал верхнього циліндра, який зв'язаний через редуктор з електрогенератором.1. A wind power installation with a vertical rotor, in which the rotor is made in the form of two coaxial cylinders with a large number of vertical plate blades fixed on them with a constant pitch, which also contains a shaft of rotation of the rotor, connected to the electric generator through a mechanical step-up gearbox, )5 which differs in that the rotor cylinders rotate in opposite directions, for which the blades in the lower cylinder are turned to an angle opposite to the angle to which the blades installed in the upper cylinder are turned, as well as the shaft of the lower cylinder is made of a hollow body and the shaft of the upper cylinder passes through it , which is connected through a reducer to an electric generator. 2. Вітроенергетична установка з вертикальним ротором за п. 1, яка відрізняється тим, що до вала кожного циліндра підключений автономний електрогенератор.2. Wind energy installation with a vertical rotor according to claim 1, which differs in that an autonomous electric generator is connected to the shaft of each cylinder. З. Вітроенергетична установка з вертикальним ротором за п. 1, яка відрізняється тим, що ротор електрогенератора приєднаний до вала одного циліндра, а статор електрогенератора приєднаний до вала іншого циліндра.C. A wind power installation with a vertical rotor according to claim 1, which differs in that the rotor of the electric generator is connected to the shaft of one cylinder, and the stator of the electric generator is connected to the shaft of another cylinder. 4. Вітроенергетична установка з вертикальним ротором за п. 1, яка відрізняється тим, що ротор ов електрогенератора (або статор) виконаний у вигляді набору радіальних парних постійних магнітів, встановлених з чергуванням магнітної полярності в осьовому напрямі, а статор (або ротор) - у вигляді набору такої ж - кількості феромагнітних сердечників з котушками індуктивності, виводи яких з'єднані згідно-послідовно. (зе) у ІФ) ІФ) с4. Wind energy installation with a vertical rotor according to claim 1, which differs in that the rotor of the electric generator (or stator) is made in the form of a set of radial paired permanent magnets installed with alternating magnetic polarity in the axial direction, and the stator (or rotor) is in the form of set of the same number of ferromagnetic cores with inductance coils, the outputs of which are connected in series. (ze) in IF) IF) p - . и? іме) 1 1 -і сю» 60 б5- and? ime) 1 1 -i syu» 60 b5