RU192838U1

RU192838U1 - Wind wheel rotor

Info

Publication number: RU192838U1
Application number: RU2019119022U
Authority: RU
Inventors: Денис Даутказыевич Закиев; Андрей Николаевич Маргин; Николай Алексеевич Крутских; Сергей Якубович Алибеков; Анастасия Алекесеевна Маргина
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2019-10-02

Abstract

Полезная модель относится к области ветроэнергетики. Ротор ветроколеса содержит вертикальную ось вращения и лопасти, верхний и нижний торцевые диски, между которыми закреплены лопасти, имеющие параболическую форму, установленные с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернутые навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклоненные вовнутрь лопасти в направлении от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску. Полезная модель направлена на увеличение коэффициента использования энергии ветра и уменьшение концевых потерь. 3 ил.The utility model relates to the field of wind energy. The wind wheel rotor contains a vertical axis of rotation and blades, upper and lower end disks, between which blades are fixed, having a parabolic shape, installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, with their outer edges turned towards the incoming flow and the outer side walls of the blade deflected inward into direction from the lower end disk to the upper end disk. The utility model is aimed at increasing the utilization of wind energy and reducing end losses. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветродвигателях с вертикальной осью вращения для преобразования энергии, получаемой из регенеративных источников. The utility model relates to the field of wind energy and can be used in wind turbines with a vertical axis of rotation for converting energy obtained from regenerative sources.

Известно ветроколесо (SU №1809159, A1, F03D1/06, от 12.11.90), содержащее две пары лопастей, диаметрально закрепленных на противоположных концах поворотного горизонтального вала. Лопасти выполнены в форме параболического цилиндра, обращены к ветру своей вогнутой стороной и расположены с одинаковым углом наклона в разные стороны относительно вертикальной плоскости. A wind wheel is known (SU No. 1809159, A1, F03D1 / 06, from 12.11.90) containing two pairs of blades diametrically fixed at opposite ends of a rotary horizontal shaft. The blades are made in the form of a parabolic cylinder, facing the wind with their concave side and are located with the same angle of inclination in different directions relative to the vertical plane.

Недостатком указанного ветроколеса является его низкая эффективность из-за возникающих концевых потерь. The disadvantage of this wind wheel is its low efficiency due to the resulting end losses.

Известна роторная ветроэлектрическая установка (RU №2325552, F03D11/00, от 07.09.2006) в которой, для повышения ее эффективности и мощности, профиль лопасти выполнен пересечением либо двух либо одной параболы, при этом лопасти оборудованы клапанами в виде отверстий, перекрываемыми заглушками, удерживаемыми плоскими пружинами, прикрепленными к штырю, управляемому центробежным маятником, обеспечивающим регулировку мощности приоткрыванием отверстий и полным их открытием при сильном ветре, а концы лопастей механически связаны кольцом. Known rotary wind power installation (RU No. 2323252, F03D11 / 00, dated 09/07/2006) in which, to increase its efficiency and power, the profile of the blade is made by the intersection of either two or one parabola, while the blades are equipped with valves in the form of holes overlapped by plugs, held by flat springs attached to a pin controlled by a centrifugal pendulum, providing power adjustment by opening the holes and opening them completely in strong winds, and the ends of the blades are mechanically connected by a ring.

Недостатком указанной роторной ветроэлектрической установки является конструктивная сложность и низкая эффективность из-за большого сопротивления, возникающего при ее работе, из-за большой разности давлений на наветренной и заветренной частях лопастей. The disadvantage of this rotor wind power installation is the structural complexity and low efficiency due to the high resistance arising during its operation, due to the large pressure difference on the windward and windward parts of the blades.

Известна энергетическая установка «Виндротор» (RU №52120, F03D3/02, от 10.11.2005) содержащая электрогенератор, соединенный с вращающейся турбиной, имеющей вертикальную ось, N-профилированных лопастей, каждая из которых представляет собой часть цилиндра, лопасти установлены по окружности турбины, которая Known power plant "Windrotor" (RU No. 52120, F03D3 / 02, 10.11.2005) containing an electric generator connected to a rotating turbine having a vertical axis, N-shaped blades, each of which is part of a cylinder, the blades are installed around the circumference of the turbine which

размещена внутри неподвижного устройства формирования ветрового потока, представляющего собой цилиндрическую систему с N-направляющими лопастями, установленными по окружности устройства, устройство формирования ветрового потока с размещенной в нем турбиной выполнено в виде нескольких установленных друг на друга и механически соединенных между собой ярусов, в каждом из которых турбина снабжена верхним и нижним маховиком, к которым прикреплены лопасти, имеющие в сечении параболическую форму, устройство формирования ветрового потока снабжено верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти, выполненные каждая из одного листа в виде двух участков, один из которых имеет вид кольцевого сектора, а второй участок выполнен прямым. placed inside a stationary device for forming a wind flow, which is a cylindrical system with N-guide vanes mounted around the circumference of the device, the device for forming a wind flow with a turbine located in it is made in the form of several tiers mounted on each other and mechanically interconnected, in each of of which the turbine is equipped with an upper and lower flywheel, to which are attached blades having a parabolic shape in cross section, a device for generating a wind flow nabzheno upper and lower bases, which are attached guide vanes, each formed from one sheet into two portions, one of which has the form of an annular sector, while the second portion is straight.

Недостатком описанной выше энергетической установки является высокая металлоемкость и конструктивная сложность из-за наличия большого количества вспомогательных механизмов и элементов, что снижает надежность при эксплуатации, увеличивает вес, что также приводит к необходимости приложения значительной ветровой нагрузки для создания пускового момента. The disadvantage of the power plant described above is the high metal consumption and structural complexity due to the presence of a large number of auxiliary mechanisms and elements, which reduces reliability during operation, increases weight, which also necessitates the application of a significant wind load to create a starting torque.

Известна роторная ветроэлектростанция (RU №2362906, F03D3/04 от 18.01.2008), выполненная в виде модуля, состоящего из ротора с вертикальной осью вращения и соединенного с ним кольцевого направляющего аппарата. Лопасти ротора выполнены в форме цилиндрической параболы с загибом конца лопасти на угол 45-60°. Направляющий аппарат выполнен из неподвижной плоскости с плавно загнутым концом на угол 30-45° для направления воздушного потока на лопасть и подвижной, вращающейся плоскости с двумя плавными загибами ее концов в противоположные стороны на угол 30-45° и с отверстиями на загибах. Концы лопастей механически замкнуты кольцом, причем внизу кольцо имеет инерционный обруч. Known rotary wind power (RU No. 2362906, F03D3 / 04 from 01/18/2008), made in the form of a module consisting of a rotor with a vertical axis of rotation and an annular guide apparatus connected to it. The rotor blades are made in the form of a cylindrical parabola with a bend of the end of the blade at an angle of 45-60 °. The guide apparatus is made of a fixed plane with a smoothly bent end at an angle of 30-45 ° to direct the air flow to the blade and a moving, rotating plane with two smooth bends of its ends in opposite directions at an angle of 30-45 ° and with holes on the bends. The ends of the blades are mechanically closed by a ring, and the ring has an inertial hoop at the bottom.

Недостатком описанной выше роторной ветроэлектростанции является высокая металлоемкость и конструктивная сложность из-за наличия большого количества вспомогательных механизмов и элементов, что снижает надежность при эксплуатации, увеличивает вес, что также приводит к необходимости приложения значительной ветровой нагрузки для создания пускового момента. The disadvantage of the rotor wind farm described above is the high metal consumption and structural complexity due to the presence of a large number of auxiliary mechanisms and elements, which reduces reliability during operation, increases weight, which also leads to the necessity of applying a significant wind load to create a starting torque.

Известен ротор типа Савониуса (RU №2182258, F03D3/06 от 27.12.1994) содержащий две лопасти, состоящие каждая из цилиндрической части с передней утолщенной кромкой и плоской пластины, соединенной с задней кромкой цилиндрической части лопасти по касательной к ней. Утолщение передней кромки выполнено в виде крыльевого профиля с засасывающей поверхностью на внешней стороне лопасти, а со стороны свободного конца плоской пластины размещен аэрогидродинамический профиль сегментного типа со спинкой в сторону вращения ротора. Known rotor type Savonius (RU No. 2182258, F03D3 / 06 from 12.27.1994) containing two blades, each consisting of a cylindrical part with a front thickened edge and a flat plate connected to the trailing edge of the cylindrical part of the blade tangent to it. The leading edge is thickened in the form of a wing profile with a suction surface on the outer side of the blade, and from the side of the free end of the flat plate there is a segment-type aerohydrodynamic profile with a back in the direction of rotation of the rotor.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент использования энергии ветра. Так как ротор вращается в направлении, совпадающем с направлением воздействующего на него потока, то возникающая на крыльевом профиле подъемная сила имеет малую величину. К тому же оптимальный угол атаки на крыльевой профиль сохраняется только на незначительном участке круговой траектории лопасти. При прохождении потока между двумя параллельными пластинами возникают дополнительные потери на трение о стенки, которые в совокупности с искусственной шероховатостью, нанесенной на нагнетающей стороне крыльевого профиля, и малого плеча относительно центра ротора, дадут незначительный крутящий момент за счет возникновения разряжения на спинках аэрогидродинамического профиля сегментного типа, расположенных на свободных концах плоских пластин. The disadvantage of the prototype is the low utilization of wind energy. Since the rotor rotates in the direction coinciding with the direction of the flow acting on it, the lifting force arising on the wing profile is small. In addition, the optimal angle of attack on the wing profile is preserved only on a small portion of the circular path of the blade. When the flow passes between two parallel plates, additional friction losses occur against the walls, which, together with the artificial roughness deposited on the discharge side of the wing profile and the small shoulder relative to the center of the rotor, will give an insignificant torque due to the occurrence of rarefaction on the backs of the segmented aerohydrodynamic profile located at the free ends of flat plates.

Наиболее близким по технической сущности прототипом является ротор типа Савониуса (RU №2073113, F03D3/06, от 16.12.1992), лопасти которого с образующей, расположенной параллельно оси вращения ротора, выполнены из полуцилиндра и плоской пластины, соединенной с одной из кромок каждого полуцилиндра по касательной к нему, полуцилиндры повернуты по направлению вращения ротора и имеют на обоих свободных продольных кромках пластинчатые интерцепторы. The prototype closest in technical essence is a Savonius-type rotor (RU No. 2073113, F03D3 / 06, dated December 16, 1992), whose blades with a generatrix parallel to the axis of rotation of the rotor are made of a half cylinder and a flat plate connected to one of the edges of each half cylinder on a tangent to it, half cylinders are turned in the direction of rotation of the rotor and have plate spoilers on both free longitudinal edges.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент использования энергии ветра вследствие как формы и расположения лопастей, так и отсутствия осевого промежутка между лопастями с зоной свободного перетекания ветрового потока от внутренней части одной лопасти к другой, что приводит к возрастанию сопротивления вращению ротора вследствие возникающей большой разности давлений на наветренной и заветренной частях лопастей. Наличие интерцепторов и острых углов образованных ими с образующей лопасти ухудшает условия обтекания, т.к. обтекание острых кромок вызывает сильное понижение давления, что влечет за собой последующее сильное возрастание давления приводящее к отрыву пограничного слоя с образованием зон застойного течения. The disadvantage of the prototype is the low coefficient of utilization of wind energy due to both the shape and location of the blades, and the absence of an axial gap between the blades with the free flow zone of the wind flow from the inner part of one blade to another, which leads to an increase in resistance to rotation of the rotor due to the large pressure difference on the windward and the windward parts of the blades. The presence of interceptors and acute angles formed by them from the generatrix of the blade worsens the flow conditions, since the flow around sharp edges causes a strong decrease in pressure, which entails a subsequent strong increase in pressure leading to the separation of the boundary layer with the formation of zones of stagnant flow.

Цель полезной модели – увеличение коэффициента использования энергии ветра и уменьшение концевых потерь. The purpose of the utility model is to increase the coefficient of utilization of wind energy and reduce end losses.

Техническим результатом полезной модели является наиболее полное использование энергии потока путем снижения доли концевых потерь возникающих за счет образования вихрей, сходящих с концов лопастей, изменение расположение лопастей и их формы, что позволяет наиболее оптимально взаимодействовать с набегающим на них потоком. The technical result of the utility model is the most complete use of flow energy by reducing the share of end losses arising due to the formation of vortices coming from the ends of the blades, changing the location of the blades and their shape, which allows the most optimal interaction with the flow on them.

Технический результат достигается тем, что ротор ветроколеса, содержащий вертикальную ось вращения и лопасти, согласно полезной модели, ротор ветроколеса содержит верхний и нижний торцевые диски, между которыми закреплены лопасти, имеющие параболическую форму, установленные с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернутые навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклоненные вовнутрь лопасти в направлении от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску. The technical result is achieved in that the rotor of the wind wheel containing the vertical axis of rotation and the blades, according to the utility model, the rotor of the wind wheel contains the upper and lower end disks, between which the blades are fixed, having a parabolic shape, installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their the outer edges of the turned towards the incoming flow and the outer side walls of the blades deflected inward in the direction from the lower end disk to the upper end disk.

На фиг.1 изображен ротор ветроколеса, общий вид; на фиг.2 – то же, вид спереди; на фиг.3 – сечение лопасти А-А на фиг.2. Figure 1 shows the rotor of a wind wheel, general view; figure 2 is the same front view; figure 3 is a section of the blade aa in figure 2.

Ротор содержит вертикальную ось 1 вращения и лопасти 2 и 3, закрепленные между верхним 4 и нижним 5 торцевыми дисками, лопасти, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнены в виде цилиндрической поверхности второго порядка образующей которой является парабола, при этом лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены во внутрь лопасти по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску. The rotor contains a vertical axis of rotation 1 and the blades 2 and 3, mounted between the upper 4 and lower 5 end disks, the blades, in cross section perpendicular to the axis of rotation of the rotor, are made in the form of a cylindrical surface of the second order of which the generatrix is a parabola, while the blades are installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges are turned towards the incoming flow and the outer side walls are deflected into the inside of the blade in the direction from the lower end disk to the upper end disk.

Ротор работает следующим образом. The rotor operates as follows.

При вращении ротора перед наветренной частью лопасти 3, на участке ее траектории при движении навстречу набегающему потоку (Фиг.3), давление повышается, а на заветренной (внутренней) понижается. Одним из немаловажных факторов уменьшения силы лобового сопротивления любого тела, движущегося в воздушном потоке, является уменьшение разности давлений между наветренной и заветренной частями. Поэтому, когда воздушный поток, воздействуя на ротор, попадает в зону местного сужения между внутренней и наружными стенками двух лопастей, образованной благодаря тому, что лопасти, своими внешними кромками повернуты в сторону набегающего потока, он, по закону Бернулли, дополнительно ускоряясь, входит во внутреннюю часть лопасти 2 движущейся в направлении потока и, отдавая часть своей кинетической энергии, скользя по внутренней образующей лопасти 2, оставшуюся энергию, благодаря осевому зазору, направляет во внутреннюю часть противоположно направленной лопасти 3, в область пониженного давления, оказывая на противоположную лопасть не только вторичное воздействие, но и уменьшая тем самым и величину перепада давления между наветренной и заветренной частями лопасти движущейся навстречу потоку. Как показали эксперименты, отсутствие межосевого зазора, отклонение его размера от оптимального диапазона или его частичное затенение различными элементами, приводит к падению частоты вращения ротора минимум на 15%. Параболическая форма лопастей благодаря своей геометрии, в дополнении с отклонением наружных боковых стенок во внутрь, уменьшает долю профильных потерь и при положении в потоке соответствующему или близкому к максимальному крутящему моменту (Фиг.3), когда набегающий поток скользит по постепенно нарастающим кривым лопастей, без острых углов, кромок и наличия зон резкого возрастания давления, способствует более плавному и безотрывному как внутреннему, так и наружному ее обтеканию. Доля концевых потерь, возникающих из-за образования вихрей сходящих с концов лопастей, уменьшается за счет установки торцевых дисков 4 и 5.When the rotor rotates in front of the windward part of the blade 3, on a portion of its trajectory when moving towards the incoming flow (Figure 3), the pressure increases, and on the windward (internal) decreases. One of the important factors in reducing the drag force of any body moving in the air stream is the decrease in the pressure difference between the windward and windward parts. Therefore, when the air flow, acting on the rotor, enters the local narrowing zone between the inner and outer walls of the two blades, formed due to the fact that the blades, with their outer edges, are turned towards the incoming flow, it, according to Bernoulli’s law, further accelerates, enters the inner part of the blade 2 moving in the direction of flow and, giving part of its kinetic energy, sliding along the inner generatrix of the blade 2, the remaining energy, due to the axial clearance, directs to the inner part opposite but directed blade 3, in the area of low pressure, exerting on the opposite blade not only a secondary effect, but also thereby reducing the pressure drop between the windward and windward parts of the blade moving towards the flow. As experiments have shown, the absence of an interaxal gap, the deviation of its size from the optimal range or its partial shadowing by various elements, leads to a decrease in the rotor speed by at least 15%. The parabolic shape of the blades due to their geometry, in addition to the deviation of the outer side walls inward, reduces the proportion of profile losses even when the flow position is at or close to the maximum torque (Figure 3), when the incident flow slides along gradually increasing curved blades, without sharp corners, edges and the presence of zones of sharp increase in pressure, contributes to a smoother and more continuous both internal and external flow around it. The proportion of end losses resulting from the formation of vortices coming from the ends of the blades decreases due to the installation of end disks 4 and 5.

Claims

A wind wheel rotor containing a vertical axis of rotation and blades, characterized in that the wind wheel rotor contains upper and lower end disks, between which blades are fixed, having a parabolic shape, installed with a gap between the inner edge and the vertical axis of rotation, their outer edges turned to meet the incoming flow and the outer side walls of the blades deflected inward in the direction from the lower end disk to the upper end disk.