RU2240442C1 - Wind turbine unit - Google Patents

Abstract

FIELD: low-power engineering; windmills as off-line power supplies mounted on sufficiently high buildings.

SUBSTANCE: proposed unit has frictional rotor made in the form of vertical shaft mounted for rotation inside casing and provided with vertical plates spaced apart through definite distance. Plates are made in the form of flat disks with turbine-type blades installed between disks over entire perimeter of rotor. Rotor plates and blades are joined together by means of braces spacing them at certain distance on rotor circumference. Turbine unit casing is made in the form of guide-vane assembly that has vertical guide vanes mounted over its entire perimeter tangentially to outer edge of flat disks. Entrance edges of guide vanes are free to turn and are coupled with wind vane. Wind-turbine rotor is coupled with shaft of loading device, such as electric generator, through loading ring attached to bottom edge of rotor for contacting frictional wheel mounted on generator shaft.

EFFECT: enhanced efficiency and rotor stiffness, maximized air flow through unit, ability of rotor braking at high wind speed.

2 cl, 3 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту.The invention relates to the field of small energy, and in particular to wind engines, and can be used as an autonomous energy source on buildings of sufficient height.

Известен ветряной двигатель, содержащий статор с внешними ветровыми проточными каналами и колоннами, образующими направляющий аппарат, который ориентирован по ветру флюгером (см. патент Японии №5-11218, МКИ 5 F 03 D 1/0, 1993 г.).Known wind turbine containing a stator with external wind flow channels and columns forming a guiding apparatus, which is oriented in the wind by a weather vane (see Japan patent No. 5-11218, MKI 5 F 03 D 1/0, 1993).

Недостатками известного решения являются большое количество подвижных элементов, что значительно усложняет конструкцию и делает ее громоздкой, сложной в эксплуатации и ремонте, и нет устройств, защищающих ротор от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.The disadvantages of the known solutions are a large number of movable elements, which greatly complicates the design and makes it cumbersome, difficult to operate and repair, and there are no devices that protect the rotor from destruction when exceeding the maximum permissible speed.

Известна также ветро-турбинная установка, содержащая ротор фрикционного типа, выполненного в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии (см. патент Германии №4416560, МКИ F 03 D 3/00, 1995 г.).Also known is a wind turbine installation comprising a friction type rotor made in the form of a shaft arranged vertically rotatably inside the housing and provided with plates mounted one relative to another at a given vertical distance (see German Patent No. 4416560, MKI F 03D 3 / 00, 1995).

В связи с тем, что для эффективной работы ветродвигателя необходимы большие поверхности - выполнение пластин в виде конуса и установка их с зазором друг относительно друга очень трудоемкий процесс, связанный с большими финансовыми расходами. При этом предлагаемую конструкцию практически невозможно отбалансировать, что ведет к повышенному уровню вибрации.Due to the fact that large surfaces are required for the effective operation of the wind turbine, it is very time-consuming to make plates in the form of a cone and install them with a gap relative to each other, which is associated with high financial costs. Moreover, the proposed design is almost impossible to balance, which leads to an increased level of vibration.

Кроме того, не предусмотрены устройства, защищающие установку от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.In addition, there are no devices that protect the installation from destruction when exceeding the maximum permissible speed.

Наиболее близким аналогом является ветро-турбинная установка (ВТУ), содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенный вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков (см. патент Российской Федерации №2184872, МКИ F 03 D 3/00, 2000 г.). Эта ВТУ, как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой, выбрана в качестве прототипа.The closest analogue is a wind turbine installation (VTU), containing a friction type rotor made in the form of a shaft, placed vertically, with the possibility of rotation inside the housing and provided with plates installed one relative to another at a given vertical distance, and the plates are made in the form of flat disks while the VTU casing is made in the form of a guide apparatus containing vertically arranged guide vanes mounted tangentially to the outer edge of the flat discs (see patent Ros Russian Federation No. 2184872, MKI F 03D 3/00, 2000). This VTU, as the closest in technical essence to the proposed one, is selected as a prototype.

Однако эта установка обладает малым кпд и большой материалоемкостью.However, this installation has low efficiency and high material consumption.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является повышение удельной мощности ВТУ при снижении материалоемкости и сохранении высокой степени безопасности.The task to which the proposed solution is directed is to increase the specific power of the VTU while reducing material consumption and maintaining a high degree of safety.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении кпд ВТУ и жесткости ротора, в обеспечении максимального расхода воздуха через установку и торможении ротора при больших скоростях ветра.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in increasing the efficiency of the VTU and the stiffness of the rotor, in ensuring maximum air flow through the installation and braking of the rotor at high wind speeds.

Поставленная задача решается тем, что ВТУ, содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков, отличается тем, что между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа, а входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером, причем пластины и лопатки ротора скреплены растяжками, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора. При этом ротор установки связан с валом нагрузочного устройства, например электрогенератора, посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора, с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора.The problem is solved in that the VTU containing a friction type rotor made in the form of a shaft placed vertically, rotatable inside the housing and provided with plates mounted one relative to another at a given vertical distance, and the plates are made in the form of flat disks, while the body VTU is made in the form of a guide apparatus, containing vertically arranged guide vanes along the entire perimeter of the housing, installed tangentially to the outer edge of the flat discs, different in that turbine-type blades are installed between the disks around the entire perimeter of the rotor, and the input edges of the guide vanes are made rotary and connected to a weather vane, and the plates and rotor blades are fastened by braces located at a given distance around the circumference of the rotor. In this case, the rotor of the installation is connected with the shaft of a loading device, for example, an electric generator, by means of a loading rim fixed on the lower edge of the rotor, with the possibility of contact with a friction wheel worn on the shaft of the electric generator.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".A comparative analysis of the essential features of the proposed solution with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.In this case, the distinguishing features of the claims solve the following functional tasks.

Признак "...между дисками... установлены лопатки турбинного типа..." позволяет установке работать при малых скоростях ветра, повышает кпд установки, увеличивает ее жесткость и, следовательно, уменьшает материалоемкость.The sign "... between the disks ... turbine-type blades are installed ..." allows the installation to operate at low wind speeds, increases the efficiency of the installation, increases its rigidity and, therefore, reduces material consumption.

Признак "...между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа..." повышает безопасность установки при больших скоростях ветра за счет того, что часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора и вновь попадает в лопатки и диски ротора, но в месте, диаметрально расположенном относительно зоны входа в рабочее колесо. Воздух захватывается элементами ротора и выбрасывается в атмосферу. На это расходуется определенная мощность. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ротор от слишком большого разгона.The sign "... turbine-type blades are installed between the disks around the entire perimeter of the rotor ..." increases the safety of the installation at high wind speeds due to the fact that part of the air passing in the radial direction passes the central part of the rotor and again enters the blades and disks rotor, but in a place diametrically located relative to the zone of entry into the impeller. Air is captured by the rotor elements and emitted into the atmosphere. A certain power is spent on this. Due to the fact that the power spent on pumping air depends on the rotation speed in the third degree, then at high wind speeds this power becomes significant and inhibits the rotor from too much acceleration.

Признак "...входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными..." позволяет направляющему аппарату захватывать большее количество потока воздуха, тем самым повышая кпд и мощность установки.The sign "... the input edges of the guide vanes are made rotary ..." allows the guide apparatus to capture a greater amount of air flow, thereby increasing the efficiency and power of the installation.

Признак "...входные кромки направляющих лопаток... соединены с флюгером..." позволяет постоянно ориентировать входные кромки лопаток направляющего аппарата по потоку ветра и обеспечивать максимальный расход воздуха через установку и соответственно максимальную мощность. В то же время, несколько лопаток направляющего аппарата, находящихся с подветренной стороны, за счет возможности частичного поворота, увеличивают проходное сечение между собой, тем самым уменьшают сопротивление воздуха, выходящего с ротора. Что тоже повышает эффективность установки.The sign "... the input edges of the guide vanes ... are connected to the weather vane ..." allows you to constantly orient the input edges of the guide vanes of the guide apparatus according to the wind flow and ensure maximum air flow through the unit and, accordingly, maximum power. At the same time, several vanes of the guide vane, located on the leeward side, due to the possibility of partial rotation, increase the flow area between them, thereby reducing the resistance of the air leaving the rotor. Which also increases the efficiency of the installation.

Признаки дополнительного пункта формулы позволяют исключить ускоряющую передачу, что увеличивает кпд установки.The signs of an additional claim make it possible to exclude accelerating transmission, which increases the efficiency of the installation.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показано горизонтальное сечение ВТУ, на фиг.2 - фрагмент горизонтального сечения ВТУ и на фиг.3 - вертикальное сечение ВТУ.Figure 1 shows the horizontal section of the VTU, figure 2 is a fragment of a horizontal section of the VTU and figure 3 is a vertical section of the VTU.

Установка содержит ротор 1, состоящий из пакета пластин 2, представляющих собой плоские диски, которые установлены на валу 3 один относительно другого на заданном вертикальном расстоянии. Между пластинами 2 установлены лопатки 4 турбинного типа. Вал 3 размещен вертикально внутри направляющего аппарата 5 с возможностью вращения в подшипнике 6. Пластины 2 скреплены растяжками 7, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора 1. Растяжки 7 увеличивают жесткость ротора 1 и стягивают верхнюю часть направляющего аппарата 5. Направляющий аппарат 5 неподвижен, состоит из вертикально расположенных направляющих лопаток 8, которые установлены тангенциально внешней кромке пакета пластин 2, и образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Входные кромки 9 направляющих лопаток 8 направляющего аппарата 5 выполнены поворотными и соединены рычагом 10 с флюгером 11. На основании 12 жестко закреплено нагрузочное устройство, которым является электрогенератор 13. Вал электрогенератора 13 соединен с нагрузочным ободом 14 ВТУ, закрепленным на нижней кромке ротора 1, посредством фрикционного колеса 15, надетого на вал электрогенератора 13.The installation comprises a rotor 1, consisting of a package ofplates 2, which are flat discs that are mounted on theshaft 3 relative to one another at a given vertical distance. Between theplates 2 installedturbine blades 4. Theshaft 3 is placed vertically inside theguide apparatus 5 with the possibility of rotation in thebearing 6. Theplates 2 are fastened bybraces 7 located at a predetermined distance around the circumference of the rotor 1. Thebraces 7 increase the stiffness of the rotor 1 and tighten the upper part of theguide apparatus 5. Theguide apparatus 5 is stationary, consists from vertically arrangedguide vanes 8, which are installed tangentially to the outer edge of theplate pack 2, and form external wind flow channels located tangentially to the inner ok Installation life. Theinput edges 9 of theguide vanes 8 of theguide apparatus 5 are rotatable and connected by alever 10 to aweather vane 11. On thebase 12, a load device is fixed, which is anelectric generator 13. The shaft of theelectric generator 13 is connected to aload rim 14 of the VTU, mounted on the lower edge of the rotor 1, by thefriction wheel 15, worn on the shaft of thegenerator 13.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Поток ветра, проходя через направляющие лопатки 8 направляющего аппарата 5, направляется в тангенциальном направлении на пакет плоских пластин 2 и лопатки 4 ротора 1. При движении его в зазорах между лопатками 4 ротора 1 и пластинами 2, энергия ветра, благодаря силам поверхностного трения и аэродинамического взаимодействия передается пакету плоских пластин 2 и лопаток 4, что приводит ротор во вращательное движение. Движущийся к центру поток воздуха, отдав энергию, выходит в радиальном и осевом направлениях через отверстия в направляющем аппарате 5. Часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора 1 и вновь попадает в лопатки 4 и пластины 2 ротора 1, но в месте, расположенном диаметрально противоположно, относительно зоны входа в ротор 1. Воздух захватывается элементами ротора 1 и выбрасывается в атмосферу (это явление называется “вентиляционными потерями на неактивной дуге турбинного двигателя”). На это расходуется определенная мощность, но при этом в центре ротора 1 создается разрежение, что способствует увеличению скорости и расхода воздуха, проходящего через ВТУ, и увеличивает ее мощность. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ротор 1 от слишком большого разгона. Это аэродинамическое торможение значительно повышает безопасность установки при больших скоростях ветра и позволяет обойтись без специальных тормозных устройств. Крутящий момент передается по валу 3 от ветро-турбины на нагрузочный обод 14 и затем, через фрикционное колесо 15 на вал электрогенератора 13. Мощность, вырабатываемая электрогенератором 13, во многом определяется окружной скоростью ротора 1, которая достаточно велика за счет его большого диаметра. Применение ротора 1 большого диаметра с ободом 14 позволяет исключить ускоряющую передачу, обычно применяемую в ВТУ, и, тем самым, повысить кпд установки, ее надежность и способность работать при малых скоростях ветра. Характеристики ВТУ и электрогенератора 13 подбирают таким образом, чтобы при работе на большинстве режимов (скоростей ветра) максимально использовать энергию ветра при минимальных скоростях и избежать разрушения ротора 1 при очень больших скоростях. Если разрушение ротора 1 все же произошло, то направляющий аппарат 5 исключит возможность выброса частей ротора 1 за его пределы, обеспечивая безопасность эксплуатации ВТУ в любых условиях. Кроме того, прочность и надежность ротора 1 обеспечивается применением растяжек 7, соединяющих элементы ротора 1 в единое целое.The wind flow passing through theguide vanes 8 of theguide apparatus 5 is directed in the tangential direction to the package offlat plates 2 andvanes 4 of the rotor 1. When it moves in the gaps between thevanes 4 of the rotor 1 and theplates 2, wind energy, due to the forces of surface friction and aerodynamic interaction is transmitted to the package offlat plates 2 andblades 4, which causes the rotor to rotate. The air stream moving towards the center, having given energy, exits in the radial and axial directions through the holes in theguide apparatus 5. The part of the air passing in the radial direction passes through the central part of the rotor 1 and again enters theblades 4 andplates 2 of the rotor 1, but in place located diametrically opposite relative to the zone of entry into the rotor 1. Air is captured by the elements of the rotor 1 and is released into the atmosphere (this phenomenon is called “ventilation losses on the inactive arc of the turbine engine”). A certain power is spent on this, but at the same time a vacuum is created in the center of the rotor 1, which helps to increase the speed and flow rate of air passing through the VTU, and increases its power. Due to the fact that the power spent on pumping air depends on the rotation speed in the third degree, then at high wind speeds this power becomes significant and inhibits rotor 1 from too much acceleration. This aerodynamic braking significantly increases installation safety at high wind speeds and eliminates the need for special braking devices. The torque is transmitted through theshaft 3 from the wind turbine to theload rim 14 and then, through thefriction wheel 15 to the shaft of theelectric generator 13. The power generated by theelectric generator 13 is largely determined by the peripheral speed of the rotor 1, which is quite large due to its large diameter. The use of a large-diameter rotor 1 with arim 14 eliminates the acceleration gear usually used in the VTU, and thereby improves the efficiency of the installation, its reliability and ability to work at low wind speeds. The characteristics of the VTU and theelectric generator 13 are selected in such a way that when operating at most modes (wind speeds), the wind energy can be used to the maximum at minimum speeds and the rotor 1 will not be destroyed at very high speeds. If the destruction of the rotor 1 still happened, then theguide apparatus 5 will exclude the possibility of ejection of parts of the rotor 1 beyond its limits, ensuring the safety of operation of the VTU in any conditions. In addition, the strength and reliability of the rotor 1 is ensured by the use ofstretch marks 7, connecting the elements of the rotor 1 into a single unit.

Таким образом, комплекс вышеперечисленных конструктивных особенностей обеспечивает высокую безопасность установки и позволяет использовать ее в непосредственной близости с местами присутствия людей. В частности ее можно устанавливать на жилые здания, имеющие достаточную высоту. Это исключает необходимость постройки дорогостоящей башни.Thus, the complex of the above design features ensures high safety of the installation and allows its use in close proximity to places of presence of people. In particular, it can be installed on residential buildings having a sufficient height. This eliminates the need for an expensive tower.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Ветротурбинная установка (ВТУ), содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков, отличающаяся тем, что между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа, а входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером, причем пластины и лопатки ротора скреплены растяжками, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора.1. Wind turbine installation (VTU) containing a friction type rotor made in the form of a shaft placed vertically, with the possibility of rotation inside the housing and provided with plates mounted one relative to another at a given vertical distance, and the plates are made in the form of flat disks, while the body VTU is made in the form of a guide apparatus containing vertically arranged guide vanes along the entire perimeter of the housing, mounted tangentially to the outer edge of the flat discs, characterized in that about between the disks around the entire perimeter of the rotor mounted turbine blades, and the input edges of the guide vanes are made rotary and connected to a weather vane, and the plates and rotor blades are fastened by braces located at a given distance around the circumference of the rotor.2. Ветротурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что ротор установки связан с валом нагрузочного устройства, например, электрогенератора, посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора, с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора.2. The wind turbine installation according to claim 1, characterized in that the rotor of the installation is connected with the shaft of the load device, for example, an electric generator, by means of a load rim fixed on the lower edge of the rotor, with the possibility of contact with the friction wheel worn on the shaft of the electric generator.

Images