RU2189494C2

RU2189494C2 - Magnus-rotor windmill-electric generating plant

Info

Publication number: RU2189494C2
Application number: RU93037902A
Authority: RU
Inventors: А.П. Соловьев
Original assignee: Военно-морская академия им. адмирала флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: vertical-shaft windmill-electric generating plant depending for its operation on Magnus effect has windwheel mounted on horizontal shaft, radial blades in the form of cylinders, and electric generator; operating mechanisms are made in the form of Savonius rotors mounted on cylinder shafts and rigidly coupled to them. Novelty is new relationship between geometric and kinematic parameters of plants which is as follows:

where V_w is wind velocity; D_c and D_S-r is cylinder and Savonius-rotor diameter, respectively; n_wh is windmill speed; R_S-r is distance between shaft axis and point on Savonius rotor corresponding to mean value of V

\binom{S-r}{p}

with respect to rotor length; V

\binom{S-r}{p}

is flow velocity on radius R_S-r during windwheel rotation. EFFECT: simplified mechanical design and circuit arrangement, enhanced economic efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения на основе эффекта Магнуса. The invention relates to wind energy, and in particular to the construction of wind power plants with a horizontal axis of rotation based on the Magnus effect.

Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса//пат. СССР 10198, F 03 D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F 03 D 5/00, 1984; а.с. 1677366, F 03 D 1/02, СССР, 1991 и др. ). Known wind turbines with a horizontal axis of rotation with radial blades in the form of forcibly rotated cylinders (Magnus rotors // Pat. USSR 10198, F 03 D 7/02, 1927; Pat. US 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7 / 06, 1982; application of Germany 3246694, F 03 D 5/00, 1984; A.S. 1677366, F 03 D 1/02, USSR, 1991, etc.).

Основные недостатки этих ВЭУ - достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде. The main disadvantages of these wind turbines are quite complex drives for rotating the cylinders, which makes manufacturing more expensive and reduces the reliability of the installation, as well as the impossibility of their practical use in the aquatic environment during and in the portable form.

В качестве прототипа выбрана установка по пат. 10198, F 03 D 7/02, СССР, 1927 г. Устройство содержит ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор. Его недостатки те же, что и перечисленные выше. As a prototype, the installation according to US Pat. 10198, F 03 D 7/02, USSR, 1927. The device comprises a wind wheel with a horizontal shaft, radial blades in the form of cylinders with end disks, drives for rotating cylinders and an electric generator. Its shortcomings are the same as those listed above.

Для устранения этих недостатков в известной ВЭУ, содержащей ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, в качестве приводов цилиндров предусмотрены роторы типа Савониуса (РтС), которые устанавливаются на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними. To eliminate these shortcomings in the known wind turbine containing a wind wheel with a horizontal shaft, radial blades in the form of cylinders with end disks, drives for rotating cylinders and an electric generator, Savonius type rotors (PTC) are installed as cylinder drives, which are mounted on the axes of rotation of the cylinders and rigidly associated with them.

Воздействие ветра на предлагаемую установку приведет к вращению роторов Савониуса (воздушных турбинок иного типа), а следовательно, и к вращению цилиндров, с которыми жестко связаны эти роторы. Вращение цилиндров вызовет появление подъемной силы Магнуса и соответствующего крутящего момента, который станет вращать ветроколесо. При этом на ротор Савониуса будет действовать помимо ветра со скоростью V_B воздушный поток в окружном направлении со скоростью
V $\binom{(pc)}{окр}$ = 2πR_pc•n_вк,
где n_BK - число оборотов ветроколеса, R_pc - отстояние от оси вала точки на оси ротора Савониуса, которая соответствует средней величине [V_окр ^(рс)]². Результирующий поток будет равен

Расположение ротора Савониуса по длине лопасти, его длина и диаметр выбираются из условия обеспечения окружной скорости вращения цилиндров вокруг своих осей, равной V_окр ^(ц) = (3-4)•Vв, что дает наибольшую подъемную силу Магнуса на цилиндрах.The impact of the wind on the proposed installation will lead to the rotation of the Savonius rotors (air turbines of a different type), and therefore to the rotation of the cylinders with which these rotors are rigidly connected. The rotation of the cylinders will cause the appearance of Magnus's lifting force and the corresponding torque, which will begin to rotate the wind wheel. In this case, in addition to the wind with a speed V _{B, an} air flow in the circumferential direction with a speed will act on the Savonius rotor
V

\binom{(pc)}{okr}

= 2πR _pc • n _vk ,
where n _BK is the number of revolutions of the wind wheel, R _pc is the distance from the shaft axis of the point on the axis of the Savonius rotor, which corresponds to the average value [V _okr ^(pc) ] ² . The resulting stream will be equal to

The location of the Savonius rotor along the length of the blade, its length and diameter are selected from the condition that the peripheral speed of rotation of the cylinders around its axes is equal to V _okr ^(ts) = (3-4) • Vv, which gives the greatest Magnus lift on the cylinders.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что в качестве приводов цилиндров используется ротор типа Савониуса, размещаемый на каждой лопасти на оси вращения цилиндров и жестко связан с ними. Можно утверждать, что предложенное устройство имеет элементы новизны. Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is characterized in that a Savonius-type rotor is used as cylinder drives, placed on each blade on the axis of rotation of the cylinders and rigidly connected with them. It can be argued that the proposed device has elements of novelty.

Из близких аналогов рассмотрим "Воздушную турбину Магнуса" (пат. США 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7/06, 1982) и "Ветроустановку" (заявка ФРГ 3246694, F 03 D 5/00, 1984). Отличия конструктивные: у аналогов приводом цилиндра лопасти служит электродвигатель с системой управления параметрами электродвигателя. На вращение цилиндров затрачивается 10% вырабатываемой ВЭУ энергии. Предлагаемый привод - РТС работает от потока ветра и воздушного потока в окружном направлении и не требует затрат энергии. Функциональные: аналоги практически не могут быть использованы в водной среде на течении и в переносном виде в связи с относительной сложностью системы приводов и управления их работой. From close analogues, consider the "Magnus Air Turbine" (US Pat. US 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7/06, 1982) and "Wind turbine" (application Germany 3246694, F 03 D 5/00, 1984). The differences are constructive: in analogs, the electric motor with a control system for the parameters of the electric motor serves as the drive for the cylinder of the blade. The rotation of the cylinders consumes 10% of the energy produced by the wind turbines. The proposed drive - RTS is powered by wind and air flow in the circumferential direction and does not require energy. Functional: analogues can hardly be used in the aquatic environment during and in the portable form due to the relative complexity of the drive system and the management of their operation.

Оценим геометрические и кинематические параметры ротора типа Савониуса. Числа оборотов ротора и цилиндров вокруг своей оси равны соответственно

1,85 - опытный коэффициент, где D_pc - диаметр ротора и D_ц - диаметр цилиндра;
(3-4) - оптимальная (отвечает наибольшей подъемной силе Магнуса) величина соотношений окружной скорости вращения-цилиндра и скорости ветра. Из условия n_pc=n_ц получим следующее выражение

Оно связывает число оборотов ветроколеса, диаметры ротора и цилиндров, расположение ротора по длине лопасти (через величину R_pc). Мощность ротора типа Савониуса достаточна для обеспечения вращения цилиндров и с числом оборотов n_BK составит около 5% от мощности ВЭУ.Let us evaluate the geometric and kinematic parameters of a Savonius-type rotor. The rotational numbers of the rotor and cylinders around its axis are equal, respectively

1.85 - experienced factor where D _pc - rotor diameter and D _n - diameter of the cylinder;
(3-4) - the optimal (corresponding to the highest Magnus lifting force) value of the ratios of the peripheral speed of rotation of the cylinder and wind speed. From the condition n _pc = n _c we obtain the following expression

It relates the number of revolutions of the wind wheel, the diameters of the rotor and cylinders, the location of the rotor along the length of the blade (through the value of R _pc ). The power of the Savonius-type rotor is sufficient to ensure the rotation of the cylinders and with a speed of n _{BK it} will be about 5% of the power of the wind turbine.

Как показали расчеты, КПД предлагаемой установки при одинаковых габаритных размерах лопастей будет не ниже, чем у рассмотренных выше ВЭУ несмотря на то, что часть длины лопасти занята ротором Савониуса, имеющим меньшую, чем у цилиндров подъемную силу Магнуса. As calculations showed, the efficiency of the proposed installation with the same overall dimensions of the blades will not be lower than that of the wind turbines considered above, despite the fact that part of the blade length is occupied by the Savonius rotor, which has a lower Magnus lifting force than the cylinders.

На чертеже представлена установка, вид спереди. The drawing shows the installation, front view.

Устройство содержит башню (опору) 1, горизонтальный вал 2 (с головкой или ступицей), лопасти 3 с цилиндрами Магнуса 4 и торцевыми дисками 5, а также роторы типа Савониуса 6. Электрогенератор не показан. The device comprises a tower (support) 1, a horizontal shaft 2 (with a head or hub), blades 3 with Magnus cylinders 4 and end disks 5, as well as Savonius-type rotors 6. An electric generator is not shown.

При воздействии на ВЭУ ветра начнут вращаться вокруг своей оси роторы типа Савониуса 6, заставляя вращаться одновременно связанные с ними цилиндры 4. С появлением на цилиндрах и роторах достаточной подъемной силы Магнуса и соответствующего крутящего момента в плоскости, перпендикулярной валу, придет во вращение ветроколесо. С началом вращения ветроколеса на роторы Савониуса кроме силы ветра начнет действовать поток воздуха в плоскости вращения ветроколеса. Увеличится число оборотов ротора и цилиндров, повысится подъемная сила Магнуса и крутящий момент для вращения ветроколеса. В стационарном режиме число оборотов ветроколеса будет равно величине (2). When a wind turbine is applied to a wind turbine, rotors of the Savonius type 6 will begin to rotate around their axis, forcing cylinders 4 to rotate at the same time. With the appearance of sufficient Magnus lifting force on the cylinders and rotors and the corresponding torque in the plane perpendicular to the shaft, the wind wheel will rotate. With the beginning of the rotation of the wind wheel, the Savonius rotors, in addition to the force of the wind, will begin to have an air flow in the plane of rotation of the wind wheel. The number of revolutions of the rotor and cylinders will increase, the lifting force of Magnus and the torque for rotation of the wind wheel will increase. In stationary mode, the number of revolutions of the wind wheel will be equal to the value (2).

Предложенная установка существенно более простая, чем существующие ВЭУ с роторами Магнуса и экономичная. Состоит из простой формы и дешевых прочных лопастей, которые могут работать как на воздухе, так и в водной среде на течении. Можно создать простые установки переносного вида. Не требуют затрат электроэнергии на вращение цилиндров. Имеют более простую электрическую схему управления, отсюда и более надежную. The proposed installation is much simpler than existing wind turbines with Magnus rotors and economical. It consists of a simple shape and cheap durable blades that can work both in air and in the aquatic environment during flow. You can create simple portable view installations. They do not require electricity for the rotation of the cylinders. They have a simpler electrical control circuit, hence more reliable.

Claims

A wind turbine with Magnus rotors containing a wind wheel with a horizontal shaft, radial blades in the form of cylinders with end disks, drives for rotating cylinders and an electric generator, the drives being made in the form of Savonius rotors that are mounted on the axes of rotation of the cylinders and are rigidly connected to them, characterized in that the ratio between the geometric and kinematic parameters of the wind turbine is

where V _in - wind speed;
D _q and D _pc - bore and Savonius rotor, respectively;
n _VK - the number of revolutions of the wind wheel;
R _pc - the distance from the axis of the shaft of the point on the axis of the Savonius rotor, which corresponds to the average value [V _okr ^pc ] ² along the length of the rotor;
V _okr ^pc - flow rate at a radius of R _pc during the rotation of the wind wheel.