RU2000469C1

RU2000469C1 - Wind wheel

Info

Publication number: RU2000469C1
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Ремович Волосов; Валерий Станиславович Русецкий; Александр Гаврилович Рафаилов; В чеслав Иванович Резниченко; Андрей В чеславович Артемьев
Original assignee: Волосов Д.Р., Русецкий B.C., Рафаилов А.Г., Резниченко В.И., Артемьев А.В.
Priority date: 1992-05-06
Filing date: 1992-05-06
Publication date: 1993-09-07

Abstract

Использование: использование энергии ветра в широком диапазоне его скоростей. Сущность изобретени : ветроколесо имеет ротор, например ротор Савониуса, и профилированные лопасти, расположенные по окружности снаружи ротора и вдоль оси вращени , причем диаметр ротора больше средней аэродинамической хорды лопасти, но не превышает величину D/a - с и, где D - диаметр окружности расположени лопастей: I b/D - коэффициент заполнени ; i - количество лопастей; b - средн аэродинамическа хорда лопасти; а 4,30 и с 2.35 - числовые коэффициенты. 5 ил.Usage: the use of wind energy in a wide range of its speeds. The inventive wind wheel has a rotor, for example, a Savonius rotor, and profiled blades located circumferentially outside the rotor and along the axis of rotation, the rotor diameter being larger than the average aerodynamic chord of the blade, but not exceeding D / a - c and, where D is the diameter of the circle the location of the blades: I b / D - fill factor; i is the number of blades; b is the average aerodynamic chord of the blade; and 4.30 and from 2.35 are numerical coefficients. 5 ill.

Description

Изобретение относитс к ветроэнергетике и касаетс ветроколес, состо щих из ветр ных роторов карусельного тиа (типа роторов Савониеса), сопр женных с профилированными лопаст ми, образующими в свою очередь роторы типа Дарье и Масгро- ува.The invention relates to wind energy and relates to wind wheels consisting of wind rotors of a carousel thia (such as Savonies rotors) coupled to profiled blades, which in turn form rotors of the Darier and Masgrove type.

Известны ветроколеса с вертикальной осью вращени , имеющие горизонтальные траверсы, на концах которых закреплены профилированные лопасти, образующие так называемый ротор Дарье. Между осью вращени и лопаст ми установлены с возможностью перемещени вдоль траверс лопатки карусельного ротора (типа ротора Сапониуса).Wind wheels with a vertical axis of rotation are known having horizontal traverses, at the ends of which profiled blades are fixed, forming the so-called Darier rotor. Between the axis of rotation and the blades are mounted to move along the traverse the blades of the carousel rotor (such as a Saponius rotor).

Лопасти ротора имеют большие удлинение , площадь и массу, их перемещение при регулировании скорости вращени ветроко- юсз вызывает большие аэродинамические мл;о/зки, что снижает надежность работы. Кроме того, лопасти ротора Савониуса аэро- лин мически затенены лопаст ми, а этоThe rotor blades have a large elongation, area and mass, their movement when regulating the speed of rotation of the windshields causes large aerodynamic ml; r / w, which reduces the reliability of operation. In addition, the blades of the Savonius rotor are aerodynamically shaded by the blades, and this

приводит к снижению эффективности использовани энергии ветра.leads to reduced wind energy efficiency.

Указанные недостатки частично устранены в известном ветроколесе, содержащем установленный на оси вращени ветр ной ротор и жестко св занные с ним лопасти, расположенные вдоль оси по окружности снаружи ротора и выполненные в своих поперечных сечени х в форме аэродинамического профил . Лопасти закреплены на лопатках ротора, т.е. диаметр D окружности расположени лопастей равен диаметру Dp ротора. Как известно, номинальное число модулей ZH ветр ного ротора (отношение окружной скорости ротора к скорости ветра при наибольшем коэффициенте максимального использовани энергии ветра, т.е.These drawbacks have been partially eliminated in a known wind wheel containing a wind rotor mounted on the axis of rotation and rigidly connected vanes located along the circumference of the axis of the outer rotor and made in their cross sections in the form of an aerodynamic profile. The blades are fixed on the rotor blades, i.e. the diameter D of the circumference of the blade is equal to the diameter Dp of the rotor. As you know, the nominal number of modules ZH of the wind rotor (the ratio of the circumferential speed of the rotor to the wind speed at the highest coefficient of maximum use of wind energy, i.e.

70 С70 s

ND О О ОND O O O

Јь ОО Oh

ю ОYu Oh

7 а) Dp (a Rp«.7 a) Dp (a Rpα.

- Т/ ПРИ 6 - T / PR 6

2 V2 V

VV

где кругова частота вращени ротора; V - скорость ветра) близко к единице, так как лопасти воспринимают скоростной напор ветра и перемещаютс со скоростью, не превышающей скорости ветра. Номинальное число модулей лопастей, образующих ротор Дарье, выше единицы и зависит от коэффициента заполнени where the circular rotational speed of the rotor; V is the wind speed) close to unity, since the blades perceive the speed pressure of the wind and move at a speed not exceeding the wind speed. The nominal number of blade modules forming the Darier rotor is higher than unity and depends on the fill factor

где I - число лопастей; b - средн аэродинамическа хорда лопасти . Поэтому в известном ветроколесе лопатки ветр ного ротора при работе мешают перемещению лопастей и тормоз т ветро- колесо, а это существенно снижает его коэффициент использовани энергии ветра Ј . Кроме того, в этом ветроколесе ветр ной ротор, облада большим диаметром , создает избыточный момент, позвол ющий начать раскручивание ветроколеса при небольших скорост х ветра и тормоз щий ветроколесо при незначительном увеличении скорости ветра. Все это значительно снижает диапазон рабочих скоростей ветроколеса.where I is the number of blades; b - mid-aerodynamic chord of the blade. Therefore, in a known wind wheel, the blades of the wind rotor during operation interfere with the movement of the blades and brake the wind wheel, and this significantly reduces its wind energy utilization coefficient Ј. In addition, in this wind wheel, the wind rotor, having a large diameter, creates an excess torque that allows the wind wheel to spin up at low wind speeds and the braking wind wheel with a slight increase in wind speed. All this significantly reduces the operating speed range of the wind wheel.

Целью изобретени вл етс повышение коэффициента использовани энергии ветра и расширение диапазона рабочих скоростей .The aim of the invention is to increase the utilization of wind energy and expand the range of operating speeds.

Дл этого необходимо диаметр ротора выбирать в диапазоне, обеспечивающем высокий пусковой момент дл начала работы ветроколеса при малых скорост х ветра и высокий коэффициент использовани энергии ветра во всем, иироком диапазоне его скоростей в зависимости от средней аэродинамической хорды b лопасти, определ ющей пусковой момент, и коэффициенi b та заполнени о - , определ ющегоFor this, it is necessary to select the rotor diameter in a range that provides a high starting moment for the start of operation of the wind wheel at low wind speeds and a high coefficient of use of wind energy in the whole, wide range of its speeds depending on the average aerodynamic chord b of the blade that defines the starting moment, and the coefficient b of the filling o -, which determines

номинальное число модулей ZH лопастей и, как следствие, высокий коэффициент использовани энергии ветра ветроколеса.the nominal number of modules ZH of the blades and, as a result, the high utilization of wind energy of the wind wheel.

Такой выбор ранее неизвестен, что свидетельствует о его новизне и позвол ет достичь цель.Such a choice was previously unknown, which indicates its novelty and allows us to achieve the goal.

На фиг.1 представлены графики зависимостей коэффициента использовани энергии ветра от числа модулей Z - Figure 1 presents graphs of the dependence of the coefficient of utilization of wind energy on the number of modules Z -

лопастей, образующих ротор типа Дарье, при различных коэффициентах заполнени blades forming a Darier-type rotor at different fill factors

а -ту, полученных в результате расчетовa-t obtained as a result of calculations

на ЭВМ по импульсной теории и подтвержденных в результате экспериментов в аэродинамической трубе; на фиг.2 представлена зависимость номинального числа модулей ZH от коэффициента а, получен0on computers using impulse theory and confirmed by experiments in a wind tunnel; figure 2 presents the dependence of the nominal number of modules ZH on the coefficient a, obtained0

55

00

55

на из графиков фиг.1 и аппроксимированна по методу наименьших квадратов пр мой а-с а, где a - 4, 30, с - 2,35 - числовые коэффициенты; на фиг.З изображена ветроэнергетическа установка, содержаща предлагаемое ветроколесо; на фиг.4 - то же, установка с вход щими в нее элементами, в аксонометрии; на фиг.5 даны сечени А-А и Б-Б на фиг.4.from the graphs of Fig. 1 and the straight line approximated by the least squares method, a-s a, where a - 4, 30, s - 2.35 - numerical coefficients; Fig. 3 shows a wind power installation comprising the proposed wind wheel; Fig. 4 is the same, installation with its constituent elements, in a perspective view; Fig. 5 shows sections A-A and BB in Fig. 4.

Дл обеспечени достаточно большого пускового момента, чтобы ветроколесо начало вращатьс при малых скорост х ветра, необходимо диаметр Dp установленного на оси 1 вращени ветр ного ротора 2 выбрать большим средней аэродинамической хорды лопасти 3. При этом лопасть 3 в остановленном положении ветроколеса не затен ет ротор 2. С другой стороны, чтобы обеспечить максимальный коэффициент использовани энергии ветра Јмакс, необходимо, чтобы ротор 2 и лопасти 3 работали при номинальных числах модулей 2 (см. фиг.1 и 2). У ротора 2 это число составл ет единицу, т.е. ZPH To provide a sufficiently large starting moment for the wind wheel to rotate at low wind speeds, it is necessary to select the diameter Dp of the rotor 2 mounted on the axis of rotation 1 of the blade 3 to be large with the average aerodynamic chord of the blade 3. Moreover, the blade 3 in the stopped position of the wind wheel does not obscure the rotor 2 On the other hand, in order to ensure the maximum utilization of wind energy Umax, it is necessary that the rotor 2 and the blades 3 operate at the nominal numbers of modules 2 (see Figs. 1 and 2). For rotor 2, this number is one, i.e. Zph

1, у лопастей 3 согласно фиг.21, at the blades 3 according to figure 2

VV

ZHcw RZhcw r

..

О)ABOUT)

, откуда Rpwhere rp

Приравнива комплексы у, получаем У 1 а - с стEquating the complexes y, we get Y 1 a - with st

т4п7 или °р т ттоПоследн величина и определ ет вто- рую границу диапазона, из которого необходимо выбирать диаметр ротора 2, чтобы обеспечить высокий коэффициент использовани энергии ветра и широкий диапазон рабочих скоростей ветра, т.е. оt4p7 or ° r ttto The last value determines the second boundary of the range from which it is necessary to select the diameter of rotor 2 in order to ensure a high utilization of wind energy and a wide range of operating wind speeds, i.e. about

b DP --r-TTv При этом лопасти 3 рас- а с (Jb DP --r-TTv In this case, the blades are 3 times with (J

положены вдоль оси 1 по окружности снаружи ротора 2 и выполнены в своих поперечных сечени х в форме аэродинамического профил 4.laid along the axis 1 around the circumference outside the rotor 2 and are made in their cross sections in the form of an aerodynamic profile 4.

Ветроэнергетическа установка (ВЭУ) с предложенным ветроколесом содержит также генераторный блок 5 и опорную вышку 6. Ветроколесо, например, может быть устроено следующим образом. К оси 1 в верхней и нижней част х жестко креп тс четыре горизонтальные траверсы 7, на консол х которых шарнирно подвешены две пр мые вертикальные лопасти 3 с аэродинамическими шайбами 8. В полости каждой траверсы 1 на ее концах расположен центробежный регул тор 9, соединенный т гами через прорези в траверсе 1 со щитками 10 аэродинамического торможени , попарноA wind turbine (wind turbine) with the proposed wind wheel also contains a generator unit 5 and a support tower 6. A wind wheel, for example, can be arranged as follows. Four horizontal traverses 7 are rigidly fixed to the axis 1 in the upper and lower parts, on the consoles of which two straight vertical blades 3 with aerodynamic washers are hinged 8. In the cavity of each traverse 1 there is a centrifugal regulator 9 at its ends, connected by gami through the slots in the traverse 1 with shields 10 aerodynamic braking, in pairs

подвешенными сверху и снизу траверсы 7. Узлы соединени траверс 7 и лопастей 3 закрыты обтекател ми 11. В верхней части оси 1 установлен приемник молниезащиты 12. Ротор 2 состоит из двух зеркальных половин и крепитс на оси 1 ближе к нижним траверсам 7. Ось 1 через фланцевый фитинг 13 соединен с генераторным блоком 5, представл ющим собой силовую пространственную рамку 14, на которой креп тс генераторы 15, кинематически соединенные клиновыми ремн ми со шкивом 16 мультиплексора . Под шкивом 16 расположен ленточный тормоз 17. Сам генераторный блок 5 расположен в силовой оболочке 18, котора вместе с конической трубой 19 выполнена из композиционного материала и составл ет опорную вышку 6. Ось 1 соединена со шкивом 16 мультипликатора через обгон- но-центробежную муфту 20. Сверху генераторный блок 5 закрыт крышкой 21. Опорна вышка б устанавливаетс вертикально к плоскости земли при помощи трех расчалок 22. Сечени горизонтальных траверс 7 имеют многозамкнутые силовые профили, соответствующиенеобходимому аэродинамическому обводу. Поперечное сечение траверсы 7 состоит из пр моугольного многоступенчатого кессона 23 и обтекателей 24. Поперечное сечение лопасти 3 представл ет собой интегральную оболочку, состо щую из многостеночного кессона 25, лобового обтекател 26 и хвостовой части 27, изготовленных из стеклопластика за один цикл формовани и вспененного пенопласта 28 в полости хвостовой части лопасти 3.suspended from above and below the beam 7. The connection nodes of the beam 7 and blades 3 are closed by cowls 11. A lightning protection receiver 12 is installed in the upper part of the axis 1. The rotor 2 consists of two mirror halves and is mounted on the axis 1 closer to the lower beam 7. The axis 1 through the flange fitting 13 is connected to a generator unit 5, which is a power spatial frame 14 on which generators 15 are mounted kinematically connected by V-belts to the multiplexer pulley 16. A belt brake 17 is located under the pulley 16. The generator unit 5 itself is located in the power shell 18, which, together with the conical pipe 19, is made of composite material and constitutes the support tower 6. The axis 1 is connected to the multiplier pulley 16 through an overrunning centrifugal clutch 20 The top of the generator unit 5 is closed by a cover 21. The support tower b is mounted vertically to the plane of the earth with the help of three braces 22. The horizontal cross-sections 7 have multi-closed power profiles corresponding to the required aerodynamic contour. The cross section of the traverse 7 consists of a rectangular multi-stage caisson 23 and fairings 24. The cross section of the blade 3 is an integral shell consisting of a multi-wall caisson 25, a front fairing 26 and a tail part 27 made of fiberglass in one molding cycle and foam foam 28 in the cavity of the tail of the blade 3.

Работает ВЭУ следующим образом.Wind turbine operates as follows.

По достижении скорости ветра выше порога срабатывани ротор 2 начинает раскручивать ветроколесо. По достижении частоты вращени , соответствующей устойчивой работе ветроколеса и генераторов 15, обгонно-центробежна муфта 20 передает крут щий момент на шкив 16, соединенный посредством клиноременной передачи с генераторами 15. Последние вырабатывают электроэнергию мощностью, пропорциональной третьей степени скорости ветра, причем автоматическа система управлени ВЭУ регулирует электрический ток в обмотках возбуждени генераторов 15 таким образом, что на выходных клеммах генераторов 15 поддерживаетс посто нное напр жение. В зависимости от снимаемой в каждый момент времени электрической мощности с генераторного блока 5 и располагаемой механической мощности ветроколеса автоматическа система управлени подключает к общей электрической цепи и зэпитывает обмотку возбуждени одного , нескольких или всех генераторов 15 (на фиг.4 показано три генератора, их количество зависит от максимальной электрической мощности каждого генератора при заданной общей электрической мощности ВЭУ). По достижении скорости ветра, соответствующей максимально допустимой частоте вращени генераторов 15, центробежный регул тор 9 начинает отклон ть прижатые к траверсам 7 щитки 10 аэродинамического торможени , увеличива лобовое сопротивление ветроколеса. ВUpon reaching a wind speed above the threshold, the rotor 2 begins to spin the wind wheel. Upon reaching the rotational speed corresponding to the stable operation of the wind wheel and generators 15, the freewheel-centrifugal clutch 20 transmits torque to the pulley 16, connected by means of V-belt transmission with generators 15. The latter generate electric power with a power proportional to the third degree of wind speed, and the automatic control system of wind turbines regulates the electric current in the field windings of the generators 15 so that a constant voltage is maintained at the output terminals of the generators 15. Depending on the electric power removed from the generator unit 5 at each moment of time and the mechanical power of the wind wheel available, the automatic control system connects to the common electric circuit and energizes the excitation winding of one, several or all generators 15 (three generators are shown in Fig. 4, their number depends from the maximum electric power of each generator for a given total electric power of wind turbines). Upon reaching the wind speed corresponding to the maximum permissible rotational speed of the generators 15, the centrifugal controller 9 begins to deflect the aerodynamic drag plates 10 pressed against the yokes 7, increasing the drag of the wind wheel. AT

итоге достигаетс ограничение предельной частоты вращени ветроколеса при избыточной мощности ветрового потока. В случае падени частоты вращени ветроколеса , что может наблюдатьс в период между сильными порывами ветра, обгонно-центробежна муфта 20 расцепл ет шкив 16 генераторного блока 5 и ось 1, тем самым не допуска полного останова ветроколеса, если в данный момент времени с генераторов 15 снималась больша электрическа мощность. Ленточный тормоз 17 служит дл стопорени ветроколеса при любом ветре с целью профилактических работ и т.п. или автоматически срабатываетas a result, the limitation of the limiting frequency of rotation of the wind wheel is achieved at excess power of the wind flow. In the case of a decrease in the rotational speed of the wind wheel, which can be observed between strong gusts of wind, the overrunning centrifugal clutch 20 disengages the pulley 16 of the generator unit 5 and the axis 1, thereby preventing the wind wheel from completely stopping if the generators 15 are currently removed high electrical power. The belt brake 17 serves to stop the wind wheel in any wind for the purpose of preventive maintenance, etc. or automatically triggered

при выходе из стро регул тора 9.upon exiting the controller 9.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A wind wheel comprising a rotor mounted on an axis of rotation and rigidly connected blades with a cross section having an aerodynamic profile, characterized in that the rotor diameter is determined from the ratio

b Dp

m a - s a

where b is the average aerodynamic chord;

D is the diameter of the circumference of the blade;

G7 T5 fill factor;

I is the number of blades; and. c - numerical coefficients equal to 4.30 and 2.35, respectively.

sg u t about

ABOUT

About CN

IW, h k

b

Uch

N

M

8

Fig.Z

(B

69Y002

tf

A-ft

L

FIG. 5