RU2664639C2 - Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade - Google Patents
Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade Download PDFInfo
- Publication number
- RU2664639C2 RU2664639C2 RU2016108449A RU2016108449A RU2664639C2 RU 2664639 C2 RU2664639 C2 RU 2664639C2 RU 2016108449 A RU2016108449 A RU 2016108449A RU 2016108449 A RU2016108449 A RU 2016108449A RU 2664639 C2 RU2664639 C2 RU 2664639C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blades
- blade
- wind
- air flow
- shaft
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
- F03D3/06—Rotors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D7/00—Controlling wind motors
- F03D7/06—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано как источник электрической и механической энергии в гидро- и ветроустановках, в частности в конструкциях ветроприемных устройств с осью вращения ротора, перпендикулярной к направлению воздушного потока (ВП). Предлагаемый способ преобразования кинетической энергии ВП во вращательное движение плоской лопастью обеспечивает оптимальный угол разворота лопастей по отношению к направлению вектора ВП при движении по круговой траектории их осей и максимальную энергоэффективность для данного типа ветроэнергетических установок (ВЭУ).The invention relates to the field of alternative energy and can be used as a source of electrical and mechanical energy in hydro and wind turbines, in particular in the construction of wind receiving devices with the axis of rotation of the rotor perpendicular to the direction of air flow (VP). The proposed method for converting the kinetic energy of the VP into rotational motion with a flat blade provides the optimal angle of rotation of the blades with respect to the direction of the vector of the blades when moving along the circular path of their axes and maximum energy efficiency for this type of wind power plants (wind turbines).
В качестве аналога рассмотрим известный карусельный ветродвигатель по патенту RU 2380567 С2, МПК F03D 3/00 от 27.01.2010 г., в котором ветродвигатель содержит установленное на вертикальном валу рабочее колесо, выполненное в виде размещенных между верхним и нижним ободами поворотных лопастей, закрепленных на кронштейнах, связанных с валом, сочлененным с электрогенератором, и механизм управления лопастью, причем каждая лопасть снабжена механизмом управления лопастью в виде флюгера и поворотного устройства, установленных на вертикальном валу соосно с лопастью, а поворотное устройство состоит из дифференциала, один вал которого жестко связан с осью флюгера, второй вал жестко связан с ободом рабочего колеса, причем корпус дифференциала жестко связан с осью поворотной лопасти.As an analogue, we consider a known rotary wind turbine according to patent RU 2380567 C2, IPC F03D 3/00 dated 01/27/2010, in which the wind turbine comprises an impeller mounted on a vertical shaft, made in the form of rotary blades mounted between the upper and lower rims mounted on the brackets associated with the shaft coupled to the electric generator, and the blade control mechanism, each blade equipped with a blade control mechanism in the form of a weather vane and a rotary device mounted coaxially with the vertical shaft fall off, and the rotating device consists of a differential, one shaft is rigidly connected to a wind vane axis, a second shaft fixedly connected with the rim of the impeller, the differential housing is rigidly connected with the rotary axis of the blade.
1. Недостатками известного устройства являются довольно сложный механизм реализации и большая его металлоемкость, причем передача механической энергии от детали 12 на деталь 13 трением при эксплуатации будет не надежна.1. The disadvantages of the known device are a rather complex implementation mechanism and its large metal consumption, and the transfer of mechanical energy from
2. В описании патента указаны положения лопастей относительно вектора воздушного потока. В 1-м квадранте - 45 градусов - положение правильно, во 2-м - 90 градусов - правильно, в 3-м квадранте - 135 градусов, что верно только для первой половины этого квадранта, а во второй половине 3-го квадранта при таком положении лопасти возникнет тормозной момент, а это значит, что лопасть работает неверно, в зоне - 270 градусов лопасть занимает положение - 180 градусов относительно вектора воздушного потока (флюгеруется), а в 4-м квадранте движется под некоторым острым углом к вектору воздушного потока. Как видим, управление лопастью производится по достаточно сложному закону, причем с ошибкой в 3-м квадранте и неопределенным значением острого угла в 4-м. Достижение таких результатов только с помощью дифференциального редуктора проблематично, а ноу-хау автором не раскрывается. Использовать ветродвигатель по данному патенту без дополнительной информации невозможно.2. The position of the blades relative to the airflow vector is indicated in the patent description. In the 1st quadrant - 45 degrees - the position is correct, in the 2nd - 90 degrees - correct, in the 3rd quadrant - 135 degrees, which is true only for the first half of this quadrant, and in the second half of the 3rd quadrant the position of the blade, a braking moment will occur, which means that the blade does not work correctly, in the area of 270 degrees the blade occupies a position of 180 degrees relative to the airflow vector (winds), and in the 4th quadrant it moves at a certain sharp angle to the airflow vector. As you can see, the blade is controlled according to a rather complicated law, moreover, with an error in the 3rd quadrant and an indefinite value of the acute angle in the 4th. Achieving such results only with the help of a differential gearbox is problematic, but the author does not disclose the know-how. It is not possible to use a wind turbine according to this patent without additional information.
Известна конструкция ветродвигателя с ветроколесом «Ветросиловая установка карусельного типа с циклично плавно крутящимися, в противофазе ротору, симметричными лопастями» по патенту RU 2392490 С1, МПК F03D 3/00, от 20.06.2010 г., принятая в качестве аналога. Ветросиловая установка карусельного типа с циклично плавно крутящимися, в противофазе ротору, симметричными лопастями, содержащая лопасти, установленные на осях, расположенных параллельно оси вращения ротора, и снабженные приводами вращения лопасти вокруг своей оси, обеспечивающими их плавный разворот на пол-оборота в противоположном направлении относительно направления вращения ротора при его полном обороте вокруг своей оси, приводы могут быть либо механическими, работающими через механическую связь с ориентированной по направлению ветра шестерней, или также ориентированными по направлению ветра и сблокированными по количеству цепей звездочками на центральной оси ротора, либо электроприводами вращения лопастей вокруг своих осей, при этом электронные команды с датчиков ветра флюгера и анемометра, расположенных на ветросиловой установке, подаются либо на исполнительный электропривод подстройки под направление ветра центральной шестерни, находящейся на оси ротора, или сблокированных звездочек механического привода, находящихся на оси ротора, либо на электроприводы вращения лопастей вокруг своих осей.A known design of a wind turbine with a wind wheel "Wind turbine rotary-type installation with cyclically smoothly rotating, in antiphase rotor, symmetrical blades" according to patent RU 2392490 C1, IPC F03D 3/00, dated 20.06.2010, adopted as an analogue. A rotary-type wind power installation with symmetrical blades rotating cyclically smoothly in antiphase to the rotor, containing blades mounted on axes parallel to the rotor axis of rotation, and equipped with rotary drives for rotating the blades around its axis, ensuring their smooth half-turn rotation in the opposite direction relative to the direction of rotation of the rotor with its full revolution around its axis, the drives can be either mechanical, working through a mechanical connection with oriented directionally gears of the wind, or sprockets also oriented in the direction of the wind and blocked by the number of chains on the central axis of the rotor, or by electric drives for rotating the blades around their axes, while electronic commands from wind sensors of the wind vane and anemometer located on the wind power installation are either given to the actuator adjustments to the wind direction of the central gear located on the rotor axis, or interlocked mechanical drive sprockets located on the rotor axis, or on electric water rotation of the blades around its axes.
Данная конструкция обеспечивает удовлетворительное значение коэффициента использования энергии ветра, позволяет устанавливать лопасти любой конструкции. Однако данное техническое решение не способно устранить целый ряд негативных особенностей, присущих в разной степени большинству известных конструкций ВЭУ. К их числу следует отнести:This design provides a satisfactory value of the coefficient of utilization of wind energy, allows you to install blades of any design. However, this technical solution is not able to eliminate a number of negative features inherent to varying degrees with most known wind turbine designs. These include:
1) сложный в эксплуатации и ненадежный вариант с механическими приводами, звездочками и комплектом цепей;1) difficult to operate and unreliable option with mechanical drives, sprockets and a set of chains;
2) предложена интуитивная методика получения энергии ветрового потока (без реальных математических выкладок), далекая от строгой методики получения максимально возможной (экстремальной) энергии каждой лопасти от воздушного потока при ее движении по круговой траектории (0-2π) - математически в любой точке этой траектории, кроме одной лишь точки прохождения, с максимальной скоростью навстречу ветру, когда парусность лопасти по отношению к ветру практически равна нулю, все лопасти действуют с однознаковыми моментами силы на ротор. А в точке максимального раскрытия парусности лопасти под вектор силы ветра, находясь в попутном движении ветру, и создаваемый момент силы является в этой точке к тому же максимальным, потому что в этой точке у движущей силы лопасти и самое длинное плечо;2) an intuitive method for obtaining wind flow energy (without real mathematical calculations) is proposed that is far from a rigorous method for obtaining the maximum possible (extreme) energy of each blade from the air flow when it moves along a circular path (0-2π) - mathematically at any point on this path , except for the point of passage alone, with maximum speed towards the wind, when the windage of the blade relative to the wind is practically zero, all the blades act with the same moment of force on the rotor. And at the point of maximum disclosure of the sailing of the blades under the wind force vector, while traveling in the wind, the moment of force created is also maximum at this point, because at this point the driving force of the blade has the longest shoulder;
3) не ясно, каким образом электронные команды с датчиков ветра флюгера и анемометра, расположенных на ветросиловой установке, стыкуются с центральной шестерней, находящейся на оси ротора, или сблокированных звездочек механического привода, находящихся на оси ротора, либо на электроприводы вращения лопастей вокруг своих осей (разрез А-А, с обзором сбоку), по вертикали оси ВСУ, сблокированных звездочек, с флюгером, датчиком ветра, механизмом коррекции лопастей под направление ветра;3) it is not clear how electronic commands from wind sensors of a wind vane and an anemometer located on a wind power installation are joined with a central gear located on the axis of the rotor, or interlocked sprockets of a mechanical drive located on the axis of the rotor, or on electric drives for rotating the blades around their axes (section AA, with a side view), the vertical axis of the APU, interlocked sprockets, with a weather vane, a wind sensor, a blade correction mechanism for wind direction;
4) совсем не используется энергия воздушного потока при движении лопастей навстречу воздушному потоку - на установку устанавливается кожух-обтекатель, прикрывающий от ветра часть ротора, где идет инверсное, навстречу ветру, движение лопастей, выполненный с возможностью отбрасывать потоки воздуха на выходящие из-под кожуха-обтекателя лопасти и ориентированный по направлению ветра посредством центральной шестерни или сблокированных звездочек на оси ротора;4) the energy of the air flow is not used at all when the blades move towards the air flow - a cowl-cowl is installed on the installation, which covers part of the rotor from the wind where the inverse movement of the blades is inverted towards the wind, made with the possibility of throwing air flows out of the casing -the fairing of the blade and oriented in the direction of the wind through the central gear or interlocked sprockets on the axis of the rotor;
5) предлагаются явно нереальные для реализации, фантастические решения, где на фиг. 6 патента показан вид сбоку заякоренного к земле дирижабля с подвешенными к нему спаренными ВСУ данного изобретения;5) offers obviously unrealistic, fantastic solutions, where in FIG. 6 of the patent shows a side view of an airship anchored to the ground with the paired APU of the present invention suspended from it;
6) в режиме лопасти-плоскости оптимальная скорость ее движения равна 1/3 скорости воздушного потока, т.е. ветроустановка должна быть низкооборотной, а в режиме крыла (сомнительной конфигурации) подъемная его сила зависит от скорости результирующего воздушного потока и угла атаки. При малых оборотах и неоптимальном угле атаки эффективность такого крыла будет очень низка;6) in the blade-plane mode, its optimal speed is 1/3 of the air flow velocity, i.e. the wind turbine should be low-speed, and in the wing mode (of dubious configuration) its lifting force depends on the speed of the resulting air flow and the angle of attack. At low speeds and a non-optimal angle of attack, the effectiveness of such a wing will be very low;
7) необходимость разворота всего ротора вместе с механизмом вращения лопастей при ориентации на изменение направления ветра.7) the need to turn the entire rotor together with the mechanism of rotation of the blades when focusing on changing the direction of the wind.
Известна конструкция ветродвигателя с ветроколесом «Ветроэнергетическая установка» по патенту RU 2543905 С2, МПК F03D 3/00 от 10.03.2015 г., принятая в качестве прототипа. Ветроэнергетическая установка содержит ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и снабженного лопастями, расположенными на ободе ветроколеса и установленными на валах, находящихся на оси симметрии лопастей, причем вал каждой лопасти соединен соосно с валом собственного привода, осуществляющего разворот лопасти, причем ветроколесо ветроприемного устройства выполнено в виде косого сечения цилиндра с максимальной высотой продольного диаметрального сечения не менее удвоенной высоты лопастей. Отметим недостатки в конструкции, работе и оформлении патента, принятого за прототип.A known design of a wind turbine with a wind wheel "Wind turbine" according to patent RU 2543905 C2, IPC F03D 3/00 of 03/10/2015, adopted as a prototype. The wind power installation contains a wind receiving device made in the form of a wind wheel mounted rotatably around a vertical axis and equipped with blades located on the rim of the wind wheel and mounted on shafts located on the axis of symmetry of the blades, the shaft of each blade being connected coaxially with the shaft of its own drive, making a turn the blades, and the wind wheel of the wind receiving device is made in the form of an oblique section of the cylinder with a maximum height of the longitudinal diametrical section tions at least twice the height of the blades. Note the shortcomings in the design, operation and execution of the patent adopted for the prototype.
1. В конструкции имеется видимо два ветроколеса поз. 1 и поз. 2, расположенных под углом к основному валу, пронумерованному так же, как и лопасти поз. 2, а также привод поз. 5 и микроконтроллер, обозначенный также поз. 5, но подробности крепления к валу отсутствуют.1. The design has apparently two wind wheels pos. 1 and pos. 2, located at an angle to the main shaft, numbered in the same way as the blades pos. 2, as well as the drive pos. 5 and the microcontroller, also indicated by pos. 5, but the details of mounting to the shaft are missing.
2. В предложенной конструкции с ободами под углом площадь каждой лопасти в 2 раза меньше, а эффект затенения не ликвидирован. Предлагаемая более сложная конструкция требует увеличения количества лопастей и приводов к ним, т.е. неоправданного усложнения и повышения стоимости.2. In the proposed design with rims at an angle, the area of each blade is 2 times smaller, and the shading effect is not eliminated. The proposed more complex design requires an increase in the number of blades and drives to them, i.e. unjustified complication and increase in value.
3. В описании и в формуле изобретения не указана форма лопастей. Если применены плоские лопасти, то намечены нереальные рабочие скорости воздушного потока и скорости оборотов ветроэнергетической установки (при угловых скоростях до двух-трех оборотов в секунду и площади лопасти до 5 м2). При плоских лопастях используется принцип лобового сопротивления «Grag Principle», основанный на возможности получать энергию из ВП только путем перемещения тела в ВП. Воздушный поток, согласно направлению, определяется проекцией градиента давления для всей площади элементов относительно силы торможения профиля по отношению к ВП [Розин М.Н Теория парусных установок. http:/rosinmn.ru/vetro/teorija_parusa/teorija_parusa.htm].3. In the description and in the claims, the shape of the blades is not indicated. If flat blades are used, then unrealistic operating air flow rates and wind turbine speed are outlined (at angular speeds up to two or three revolutions per second and blade area up to 5 m 2 ). For flat blades, the “Grag Principle” principle of drag is used, based on the ability to receive energy from the airspace only by moving the body into the airspace. The air flow, according to the direction, is determined by the projection of the pressure gradient for the entire area of the elements relative to the braking force of the profile with respect to the VP [Rozin MN Theory of sailing installations. http: /rosinmn.ru/vetro/teorija_parusa/teorija_parusa.htm].
Если пластина неподвижна и перпендикулярна скорости ветра, то на нее действует силаIf the plate is stationary and perpendicular to wind speed, then force acts on it
гдеWhere
F - сила давления воздушного потока [н],F is the pressure force of the air flow [n],
Сх - коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела,C x - coefficient of resistance, depending on the shape of the body,
p - плотность воздуха 1,29 [кг/м3],p is the density of air 1.29 [kg / m 3 ],
S - площадь поперечного сечения пластины [м2],S is the cross-sectional area of the plate [m 2 ],
Vв - скорость потока воздуха [м/с].V in - air velocity [m / s].
Коэффициент Сх зависит от формы тела. Тонкая большая пластина перпендикулярна потоку Сх=1,33.The coefficient C x depends on the shape of the body. A thin large plate is perpendicular to the flow C x = 1.33.
Когда пластина движется, то она как бы убегает от ветра и относительная скорость воздушного потока, набегающего на пластину, снижается. Поэтому сила напора воздушного потока также будет меньшеWhen the plate moves, it runs away from the wind and the relative speed of the air flow incident on the plate decreases. Therefore, the pressure force of the air flow will also be less
где Vп - скорость пластины.where V p is the speed of the plate.
Если пластина неподвижна, то полезная мощность равна нулю. Если пластина движется со скоростью ветра, то она не испытывает давления, и мощность тоже равна нулю. Для достижения максимального коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) скорость пластины должна быть в три раза меньше скорости ветра. Для плоской пластины КИЭВ равен 0,164-0,197. Например, при диаметре D=4 м, т.е. расстоянии между двумя противоположными осями поз.3 лопастей поз.2 за 1 оборот ось каждой лопасти проходит путь π D=12,5 м, причем за 0,5 сек по описанию, т.е. предполагается, что при оптимизации оборотов установки (1/3 Vв) Vв=75 м/сек.If the plate is stationary, then the net power is zero. If the plate moves with wind speed, then it does not experience pressure, and the power is also zero. To achieve the maximum coefficient of utilization of wind energy (KIEV), the speed of the plate should be three times less than the speed of the wind. For a flat plate KIEV is 0.164-0.197. For example, with a diameter of D = 4 m, i.e. the distance between two opposite axes, pos. 3 blades, pos. 2 for 1 revolution, the axis of each blade passes the path π D = 12.5 m, and for 0.5 seconds according to the description, i.e. it is assumed that when optimizing the installation speed (1/3 V in ) V in = 75 m / s
4. Из описания патента непонятна следующая формулировка: « За счет того, что лопасти, двигающиеся против ветра и по ветру, занимают «положение ребром» к ветру, они не создают аэродинамического торможения и позволяют лопастям иметь модуль вектора скорости больше скорости ветра». Крылья в «положение ребром» активно работают, причем моменты для положений А и Е по Фиг. 3 прототипа направлены навстречу. Если же это плоские лопасти, то они не могут без дополнительного внешнего воздействия опережать скорость ветра.4. From the description of the patent, the following wording is not clear: "Due to the fact that the blades moving against the wind and in the wind occupy a" position with an edge "towards the wind, they do not create aerodynamic drag and allow the blades to have a velocity vector module greater than the wind speed." The wings in the "edge position" actively work, and the moments for positions A and E of FIG. 3 prototypes are directed towards. If these are flat blades, then they cannot outrun the wind speed without additional external influence.
5. На фиг. 3 прототипа дано 8 положений лопасти (предположительно плоской), которые относительно вектора воздушного потока должны обеспечивать максимальный съем энергии на генератор. Однако в положениях и Н, и А, и Е лопасти дают нулевой момент, что касается остальных 5 положений лопасти, то хотя направление момента верно, но насколько оптимально выбран угол между вектором воздушного потока и лопастью (экспериментально или аналитически) не ясно и, как будет показано в техническом предложении, далеко от строгого оптимума.5. In FIG. 3 prototypes given 8 positions of the blades (presumably flat), which relative to the air flow vector should provide the maximum energy transfer to the generator. However, in the positions of both H, A, and E, the blades give a zero moment, as for the other 5 positions of the blade, although the direction of the moment is correct, it is not clear how optimally the angle between the air flow vector and the blade is chosen (experimentally or analytically) and how will be shown in the technical proposal, far from a strict optimum.
Технический результат предлагаемого способа заключается в максимальной эффективности преобразования кинетической энергии воздушного ВП в электрическую. Достигается он тем, что в предлагаемом способе ось каждой лопасти соединяют с валом собственного привода, осуществляющего разворот каждой плоской лопасти по круговой орбите, положение ее плоскости выставляют с помощью электропривода с датчиком положения вала ведущей лопасти на угол разворота β относительно направления воздушного потока в каждой точке круговой траектории ее вала по команде с ее блока управления, осуществляющего непрерывный аналитический расчет этого угла β=α/2+45° по информации об угле α поворота вертикальной оси относительно вектора воздушного потока, получаемой от датчиков направления воздушного потока и углового положения вертикальной оси ветроэнергетической установки относительно вектора воздушного потока, а для остальных лопастей в соответствующие блоки управления вводятся постоянные поправки для угла α 180, 120 или 90 градусов в зависимости от количества лопастей.The technical result of the proposed method lies in the maximum efficiency of converting the kinetic energy of airborne air into electrical energy. It is achieved by the fact that in the proposed method, the axis of each blade is connected to the shaft of its own drive, performing a turn of each flat blade in a circular orbit, the position of its plane is set using an electric drive with a position sensor of the shaft of the driving blade at a rotation angle β relative to the direction of the air flow at each point the circular trajectory of its shaft on command from its control unit, performing continuous analytical calculation of this angle β = α / 2 + 45 ° according to information about the angle α of rotation of the vertical axis relative the airflow vector obtained from the airflow direction sensors and the angular position of the vertical axis of the wind turbine relative to the airflow vector, and for the remaining blades, constant corrections are introduced into the corresponding control units for the angle α 180, 120 or 90 degrees depending on the number of blades.
Повышение мощности ВЭУ осуществляется также за счет поддержания скорости движения лопастей по круговой около 1/3 скорости основного вектора ВП за счет регулирования нагрузки генератора, связанного с осью ВЭУ через редуктор или вариатор. Повышению мощности ВЭУ способствует также то, что ВП, поступающий на ВЭУ, ограничивают верхним и нижним дисками, которые жестко закрепляют на вертикальной оси ВЭУ и увеличивают плотность ВП на каждой лопасти, так как соскальзывание ВП с верхней и нижней частей лопастей отсутствует.Increasing the power of a wind turbine is also carried out by maintaining the speed of the blades in a circular motion about 1/3 of the speed of the main vector of the VP by controlling the load of the generator associated with the axis of the wind turbine through a gearbox or variator. The increase in the power of the wind turbines is also facilitated by the fact that the airflow entering the wind turbines is limited by the upper and lower disks, which are rigidly fixed on the vertical axis of the wind turbines and increase the density of the airplanes on each blade, since there is no slipping of the VP from the upper and lower parts of the blades.
Целью предлагаемого изобретения является также повышение мощности, снимаемой с единицы "ометаемой" площади, и эффективности в зоне малых скоростей ВП (1.5-4 м/сек), низкооборотность 10-30 об/мин, что способствует удешевлению и повышению надежности подшипниковых узлов оси ВЭУ, а также снижению паразитных шумов и вибраций, что положительно влияет на экологию. Кроме того, размещение лопастей и их осей между дисками уплотняет ВП, направленный на лопасти (соскальзывание ВП с верхней и нижней частей лопасти отсутствует), повышает жесткость конструкции и надежность.The aim of the invention is to increase the power removed from the unit "swept" area, and efficiency in the zone of low speed VP (1.5-4 m / s), low speed 10-30 rpm, which helps to reduce the cost and increase the reliability of the bearing assemblies of the axis of the wind turbine , as well as reducing spurious noise and vibration, which positively affects the environment. In addition, the placement of the blades and their axes between the disks compacts the VP directed to the blades (there is no slipping of the VP from the upper and lower parts of the blade), increases the rigidity and reliability.
На Фиг. 1 показан вариант конструкции ВЭУ, реализующий предлагаемый способ.In FIG. 1 shows a design variant of a wind turbine implementing the proposed method.
На Фиг. 2 проиллюстрирована методика получения максимального момента для ВЭУ с плоскими лопастями.In FIG. 2 illustrates the method of obtaining the maximum moment for a wind turbine with flat blades.
На Фиг. 3 даны восемь положений лопасти при одном обороте ВЭУ.In FIG. 3 gives eight positions of the blade with one revolution of a wind turbine.
Ветроэнергетическая установка состоит из ряда деталей и узлов:A wind power installation consists of a number of parts and components:
- блок электромеханического преобразователя 1, генератор которого через редуктор или вариатор связан с вертикальной осью 7, на входы блока подключены датчики оборотов оси 2 и скорости ВП 11, а к его выходам подключены промышленная сеть или группа аккумуляторов большой емкости (с инверторами, работающими на промышленную сеть), рама 3,обеспечивает жесткое вертикальное положение всей конструкции ВЭУ, именно на ней размещен датчик скорости ВП 11, например анемометр;- an
- ось ВЭУ 7, на которой жестко закреплены опорные диски 4 и 6 с помощью гаек 8, причем ось 7 снизу связана с рамой 3 с помощью нижней опоры 9;- the axis of the
- датчик углового положения 10 оси 7 и флюгер 12 прикреплены сверху к оси 7, причем статор датчика 10 жестко связан с осью 7, а его ротор жестко связан с осью флюгера 12;- the
- плоские лопасти 16 закреплены на валах 14;-
- корпусы электроприводов 15 со встроенными блоками управления и датчиками положения валов 14 закреплены на нижнем диске 4, а валы электроприводов 15 жестко соединены с валами 14 плоских лопастей 16;- cases of
- каждый вал 14 соединяется с опорами 17, размещенными на верхнем диске 6.- each
Блок 1 электромеханического преобразователя поддерживает скорость вращения ВЭУ около 1/3 скорости ВП за счет регулирования нагрузки генератора вплоть до его номинальной нагрузки. При этом блок 1 формирует на выходе генератора такую нагрузку, которая обеспечивает линейную скорость ωR при движении валов 14 лопастей 16 по круговой орбите, равной 1/3 скорости ВП. R - расстояние между осью 7 и валами 14, а ω - угловая скорость валов 14 (см. Фиг. 2). Скорость движения лопастей по круговой орбите, т.е. скорость вращения валов лопастей вокруг оси 7 по рабочей окружности (РО), определяется ее датчиком оборотов 2, а скорость основного ВП определяется датчиком скорости ВП 11. В связи с движением валов 14 лопастей 16 по РО на каждую лопасть 16 действует дополнительный вектор ВП, направленный по касательной к РО и результирующий воздушный поток то больше, то меньше основного вектора ВП. В связи с низкими оборотами рассматриваемой ВЭУ, наличием нескольких лопастей пренебрегаем влиянием дополнительного ВП и выбираем скорость движения валов 14 лопастей 16 по РО, равной 1/3 текущей скорости основного ВП.
ВП, поступающий на ВЭУ, ограничен верхним 6 и нижним 4 дисками, которые жестко закреплены на оси 7 и увеличивают плотность ВП на лопасти 16, при этом соскальзывание ВП с верхней и нижней частей лопасти 16 отсутствует. Управление положением лопастей 16 осуществляется электроприводом 15 с учетом датчика положения и команд управления из блока управления электроприводом 15 на основании информации об угле α поворота вертикальной оси 7 относительно вектора воздушного потока ВП, определяемого флюгером 12, получаемой от датчиков направления воздушного потока и углового положения вертикальной оси ветроэнергетической установки относительно вектора воздушного потока.The VP entering the wind turbine is limited by the upper 6 and lower 4 disks, which are rigidly fixed on the
При нескольких лопастях ВЭУ в соответствующие блоки управления электроприводами 15 вводятся постоянные поправки для угла α 180, 120 или 90 градусов в зависимости от количества лопастей. При субэкстремальном регулировании (см. Фиг. 2 и Фиг. 3) относительно вектора ВП с помощью датчика 10 флюгера 12 и электропривода 15 плоскость лопастей 16 выставляют на определенный угол β относительно вектора ВП в каждой точке движения по РО. Субэкстремальное регулирование - это оптимизация без учета дополнительного ВП, возникающего при вращении лопастей по круговой орбите.With several blades of a wind turbine, constant corrections for the angle α 180, 120 or 90 degrees depending on the number of blades are introduced into the corresponding control units of the electric drives 15. With sub-extreme regulation (see Fig. 2 and Fig. 3) relative to the airspace vector using the
При этом обеспечивается максимально возможный момент вращения для каждого значения угла α поворота оси 7. При субэкстремальном регулировании давление ВП на лопасти 16 не должно значительно превышать некоторого расчетного номинального значения, которое определяется в блоке 1 как номинальная нагрузка генератора. С целью оптимизации оборотов в ВЭУ вводят блок электромеханического преобразователя 1, который формирует на выходе генератора такую нагрузку, которая обеспечивает линейную скорость валов плоских лопастей ветроэнергетической установки при ее движении по круговой орбите, равной 1/3 скорости воздушного потока.This ensures the maximum possible moment of rotation for each value of the angle of rotation α of the
В предлагаемом изобретении используются одновременно два принципа оптимизации преобразования кинетической энергии ВП:In the present invention, two principles of optimization of the conversion of the kinetic energy of VP are used simultaneously:
1. Оптимизация положения плоской лопасти 16 относительно вектора ВП в процессе движения ее вала 14 по РО и получение максимального момента вплоть до номинальной нагрузки генератора в каждой точке этой траектории. Получены аналитические выражения без учета дополнительного вектора ВП, возникающего при вращении лопастей по РО.1. Optimization of the position of the
2. Оптимизация скорости движения плоскости по круговой траектории предлагаемой конструкции ВЭУ, использующей принцип лобового сопротивления «Grag Principle». Например, при скорости В, равной 6 м/сек, при соответствующей нагрузке на генераторе получаем скорость вала каждой лопасти ВЭУ 2 м/сек по РО, т.е. 1/3 скорости ВП.2. Optimization of the speed of the plane along the circular path of the proposed design of the wind turbine, using the principle of drag "Grag Principle". For example, at a speed B equal to 6 m / s, with a corresponding load on the generator, we obtain a shaft speed of each wind turbine blade of 2 m / s in PO, i.e. 1/3 of the speed of the VP.
На фиг. 2 проиллюстрирована методика получения максимального момента М=Fh, где F - сила, создаваемая ВП на лопасти 16, h - плечо этой силы относительно оси 7 для ВЭУ с плоскими лопастями. Найдена зависимость между углом поворота α оси 7 относительно вектора ВП и углом плоскости β лопасти 16 относительно вектора ВП. Проекция S лопасти 16 на плоскость, перпендикулярную вектору ВП (см. Фиг. 2), находится под углом Q и равна:In FIG. Figure 2 illustrates the method for obtaining the maximum moment M = Fh, where F is the force created by the VP on the
где S0 = площадь лопасти.where S 0 = blade area.
При оптимизации скорости вращения ВЭУ, т.е. скорости движения осей лопастей по РО, VП=1/3VB, а сила давления F на лопасть с учетом (2):When optimizing the speed of rotation of a wind turbine, i.e. the velocity of the axes of the blades along the RO, V P = 1 / 3V B , and the pressure force F on the blade taking into account (2):
Определим момент, который развивает сила по (4) (см. Фиг. 2) относительно оси ВЭУ 7. Плечо h зависит от расстояния R между осью 7 и валом 14 лопасти 16 и равно:We define the moment that the force develops according to (4) (see Fig. 2) relative to the axis of the
С учетом (4) и (5) момент МЛ вращения ВЭУ, создаваемый каждой лопастью 16 в каждой точке РО лопастиTaking into account (4) and (5), the moment M L of the wind turbine rotation created by each
Необходимо для каждого значения угла α при движении лопасти по круговой траектории найти максимальное значение момента, которое очевидно зависит от угла β, определяющего положение плоскости лопасти относительно вектора ВП. Берем производную от момента МЛ по βIt is necessary for each value of the angle α when the blade moves along a circular path to find the maximum value of the moment, which obviously depends on the angle β, which determines the position of the plane of the blade relative to the VP vector. We take the derivative from the moment M L β
Поэтому Cos(2β-α)=0,2β-α=90°, и получаем основное аналитическое выражение для разработанной ВЭУTherefore, Cos (2β-α) = 0.2β-α = 90 °, and we obtain the main analytical expression for the developed wind turbine
Выполнение соотношения между углами β и α по (8) в ВЭУ обеспечивает максимальное значение момента в любой точке РО каждой лопасти 16.The relationship between the angles β and α according to (8) in a wind turbine provides the maximum value of the moment at any point of the PO of each
На Фиг. 3 даны восемь положений (А, В, С, D, G, Е, Н, K) лопасти 16 при одном обороте ВЭУ с учетом полученного оптимального соотношения между углами α и β относительно вектора ВП и получении из воздушного потока максимальной энергии ЭЛ за один оборот одной лопасти.In FIG. 3, eight positions (A, B, C, D, G, E, H, K) of the
В таблице представлены значения углов α и β для восьми положений лопасти 16 при β=α/2+45°:The table shows the values of the angles α and β for eight positions of the
В начальный момент времени ВЭУ неподвижна, однако блоки управления и датчики положения вала 14 каждого электропривода 15 с соответствующей программой реализуют аналитическое выражение (8) зависимости между углом α поворота вертикальной оси 7 относительно вектора воздушного потока и углом β поворота вала 14 каждой лопасти 16 относительно вектора ВП в каждой точке РО. В этом режиме каждый блок управления электроприводов 15 получает информацию с флюгера 12 и с датчика положения 10, вычисляя угловое положение лопастей 16 относительно положения флюгера 12. При изменении направления ВП на блоки управления электроприводов 15 будут переданы скорректированные команды углов α и вычисленные для угла β, т.е. новое положение лопастей 16 относительно вектора ВП. Данная методика описана для одной лопасти, названной ведущей. Для остальных лопастей 16 в блоки управления электроприводов 15 вводятся постоянные поправки для угла α 180, 120 или 90 градусов в зависимости от количества лопастей. При штормовых скоростях ветра, создающих опасные для ВЭУ режимы работы, по сигналу от датчика 11 скорости ВП блоки управления электроприводов 15 переводят все лопасти в режим флюгерования. В таком положении набегающий воздушный поток не создает крутящий момент на лопастях 16 и ВЭУ находится в пассивном режиме.At the initial time, the wind turbine is stationary, however, the control units and position sensors of the
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016108449A RU2664639C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016108449A RU2664639C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016108449A RU2016108449A (en) | 2017-09-14 |
RU2664639C2 true RU2664639C2 (en) | 2018-08-21 |
Family
ID=59893643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016108449A RU2664639C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2664639C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2704060C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-10-23 | Данил Михайлович Ревенко | Method of controlling rotation of blades of a vertical type wind-driven installation |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2044157C1 (en) * | 1992-07-31 | 1995-09-20 | Лев Анатольевич Степанов | Aerohydrodynamic windmill |
DE19603982A1 (en) * | 1996-02-05 | 1997-08-07 | Clemens Dr Kiefer | Vertical axle wind power generator |
JP2006152922A (en) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Sony Corp | Windmill |
EA200700242A1 (en) * | 2004-07-02 | 2007-06-29 | Вимак | WIND ENGINE WITH VERTICAL AXIS |
US20110305569A1 (en) * | 2008-12-18 | 2011-12-15 | Snu R&Db Foundation | Displayable wind turbine |
RU2543905C2 (en) * | 2013-03-22 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | Wind-driven power plant |
-
2016
- 2016-03-09 RU RU2016108449A patent/RU2664639C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2044157C1 (en) * | 1992-07-31 | 1995-09-20 | Лев Анатольевич Степанов | Aerohydrodynamic windmill |
DE19603982A1 (en) * | 1996-02-05 | 1997-08-07 | Clemens Dr Kiefer | Vertical axle wind power generator |
EA200700242A1 (en) * | 2004-07-02 | 2007-06-29 | Вимак | WIND ENGINE WITH VERTICAL AXIS |
JP2006152922A (en) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Sony Corp | Windmill |
US20110305569A1 (en) * | 2008-12-18 | 2011-12-15 | Snu R&Db Foundation | Displayable wind turbine |
RU2543905C2 (en) * | 2013-03-22 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | Wind-driven power plant |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2704060C1 (en) * | 2019-01-09 | 2019-10-23 | Данил Михайлович Ревенко | Method of controlling rotation of blades of a vertical type wind-driven installation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016108449A (en) | 2017-09-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7762776B2 (en) | Vortex shedding cyclical propeller | |
KR100810990B1 (en) | Wind power generation system using jet wheel type vertical shaft turbine | |
KR101464157B1 (en) | Highly efficient turbines with variable-angle attack foils | |
US20090191057A1 (en) | Multi-Axis Wind Turbine With Power Concentrator Sail | |
CN106536921B (en) | Turbine rotor for extracting wind energy and fluid power | |
US5599168A (en) | Wind turbine adaptable to wind direction and velocity | |
US9803616B2 (en) | Wind turbine having a plurality of airfoil rings and counter rotating generators | |
GB2448339A (en) | Turbine blade adjustment | |
RU2392490C1 (en) | Carousel-type wind-electric set (wes) with cyclic symmetric blades smoothly rotating in opposite phase to rotor | |
JP2009500562A (en) | Blade pitch control mechanism | |
WO2019111674A1 (en) | Vertical axis-type wind turbine | |
RU2664639C2 (en) | Method for converting the kinetic energy of a air flow to a rotary movement of a blade | |
WO2011131792A2 (en) | Wind turbine direction control | |
JP2023513447A (en) | Drag-and-lift based wind turbine system with adjustable blades | |
CN104265564B (en) | Oval orbit controls formula vertical axis turbine | |
RU2589569C2 (en) | Method for conversion of kinetic flow energy into rotation of wing and apparatus for realising said method | |
GB2508814A (en) | Concentric turbine arrangement | |
WO2022233840A1 (en) | Operating a wind turbine for wake control | |
RU2543905C2 (en) | Wind-driven power plant | |
US20160222942A1 (en) | Wind Turbine Having a Wing-Shaped Turbine Blade | |
CN103899486B (en) | Track control formula vertical axis turbine | |
KR101556188B1 (en) | Wind turbine generator | |
RU2599097C2 (en) | Moving medium energy converter | |
CN104564489B (en) | The marine tidal-current energy wheel hub structure of passive Power Limitation | |
WO2012113412A1 (en) | Method for producing electric power and aerodynamic power station for carrying out said method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180802 |