DE112023000511T5 - Wind turbine - Google Patents
Wind turbineInfo
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- 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
- F03D3/005—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor the axis being vertical
- F03D3/009—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor the axis being vertical of the drag type, e.g. Savonius
-
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- F03D3/06—Rotors
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf Windenergie und kann im Bereich der alternativen Energien eingesetzt werden. Die Windenergieanlage hat profilierte Rotorblätter, die mit einer rotierenden vertikalen Welle verbunden und mit ihren oberen Teilen an den Trennwänden einer Kappe befestigt sind, die als sphärisches Segment ausgeführt ist. Die Welle ist zwischen den freien Enden zweier horizontaler Balken montiert, deren andere Enden starr an einem feststehenden, vertikal angeordneten Ständer befestigt und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Mittels einer Buchse ist die Welle mit ihrem oberen Teil am oberen horizontalen Balken aufgehängt. Das kugelförmige untere Ende der Welle ist in einer zylindrischen Öffnung im unteren Balken angeordnet, wodurch eine vertikale Bewegung der Welle ermöglicht wird. Das obere Ende der Welle ist kinematisch mit einem auf dem oberen Balken installierten Generator verbunden. Die Konstruktion des Geräts wird vereinfacht und der Wirkungsgrad des Geräts wird erhöht. The invention relates to wind energy and can be used in the field of alternative energies. The wind turbine has profiled rotor blades connected to a rotating vertical shaft, the upper parts of which are attached to the partitions of a cap designed as a spherical segment. The shaft is mounted between the free ends of two horizontal beams, the other ends of which are rigidly attached to a fixed, vertically arranged stand and spaced apart from each other. The upper part of the shaft is suspended from the upper horizontal beam by means of a bushing. The spherical lower end of the shaft is arranged in a cylindrical opening in the lower beam, thus allowing vertical movement of the shaft. The upper end of the shaft is kinematically connected to a generator installed on the upper beam. The design of the device is simplified, and its efficiency is increased.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf Windenergie und kann im Bereich der alternativen Energien eingesetzt werden.The invention relates to wind energy and can be used in the field of alternative energies.
Stand der TechnikState of the art
Bekannt ist ein präzessierender Windmotor mit vertikaler Wellenanordnung, der ein Arbeitsrad in Form eines Systems aus frei rotierenden Rotoren enthält, die auf einer Welle angeordnet sind, die mit einer Arbeitswelle verbunden ist. Gemäß der Lösung ist die Arbeitswelle vertikal angeordnet, und der Windmotor enthält ein Element zur Bereitstellung eines dritten Freiheitsgrades, das mit der Welle jedes Rotors und der Arbeitswelle verbunden ist und die Möglichkeit bietet, die Achse der Rotorwelle relativ zur Achse der Arbeitswelle in einer Ebene zu drehen, die durch die Achse der Arbeitswelle verläuft. Das Element ist elastisch in Form einer Feder ausgeführt, die starr mit der Arbeitswelle und der Rotorwelle verbunden ist und einen Bewegungsbegrenzer für die Feder entlang der Ebene hat, die durch die Achse der Arbeitswelle verläuft, und eine Drehung um die Achse der Arbeitswelle verhindert. Das Element ist als Kipphebel ausgeführt, der um eine Achse drehbar ist, die senkrecht zur Achse der Arbeitswelle und der Rotorachsen steht, wobei sich der Kipphebel auf einen Bewegungsbegrenzer in Form eines Bügels stützt, der starr mit einer gefederten Buchse mit Keil- oder Passfederverbindung verbunden ist, die auf der Arbeitswelle angeordnet ist [1] - Die Nachteile des bekannten Windmotors sind der relativ niedrige aerodynamische Wirkungsgrad seiner selbstdrehenden Rotoren, die Komplexität der Windmotorkonstruktion und der niedrige Wirkungsgrad.A precision wind turbine with a vertical shaft arrangement is known, containing a working wheel in the form of a system of freely rotating rotors arranged on a shaft connected to a working shaft. According to the solution, the working shaft is arranged vertically, and the wind turbine includes an element providing a third degree of freedom. This element is connected to the shaft of each rotor and to the working shaft, allowing the axis of the rotor shaft to rotate relative to the axis of the working shaft in a plane passing through the axis of the working shaft. The element is elastically designed in the form of a spring, rigidly connected to the working shaft and the rotor shaft. It has a limiter for the spring's movement along the plane passing through the axis of the working shaft, preventing rotation about the axis of the working shaft. The element is designed as a rocker arm, rotatable about an axis perpendicular to the axis of the working shaft and the rotor axes, the rocker arm being supported on a movement limiter in the form of a bracket, which is rigidly connected to a spring-loaded bushing with a keyway or key connection, which is arranged on the working shaft [1] - The disadvantages of the known wind engine are the relatively low aerodynamic efficiency of its self-rotating rotors, the complexity of the wind engine design and the low efficiency.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion der vorgeschlagenen Vorrichtung zu vereinfachen und ihren Wirkungsgrad zu erhöhen.The object of the invention is to simplify the design of the proposed device and to increase its efficiency.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei einer Windenergieanlage mit einem Windrad, das eine vertikale Welle mit daran befestigten Rotorblättern hat, gemäß der Erfindung die Rotorblätter profiliert sind und mit ihrem oberen Teil an den Trennwänden einer Kappe befestigt sind, die als sphärisches Segment ausgeführt ist, sodass das Windrad die Form eines Kreisels annimmt. Die vertikale Welle ist zwischen den freien Enden zweier horizontaler Balken montiert, deren andere Enden starr an einem feststehenden, vertikal angeordneten Ständer befestigt und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Mittels einer Gewindebuchse ist die Welle mit ihrem oberen Teil am oberen horizontalen Balken aufgehängt, während ihr unteres Ende kugelförmig ausgeführt und in einer zylindrischen Öffnung im unteren Balken angeordnet ist, wodurch eine vertikale Bewegung der Welle ermöglicht wird. Das obere Ende ist kinematisch mit einem auf dem oberen Balken installierten Generator verbunden.The essence of the invention lies in the fact that, in a wind turbine with a wind wheel comprising a vertical shaft with attached rotor blades, the rotor blades are profiled and attached at their upper part to the partitions of a cap designed as a spherical segment, thus giving the wind wheel the shape of a gyroscope. The vertical shaft is mounted between the free ends of two horizontal beams, the other ends of which are rigidly attached to a fixed, vertically arranged stand and spaced apart from each other. The shaft is suspended at its upper end from the upper horizontal beam by means of a threaded bushing, while its lower end is spherically shaped and arranged in a cylindrical opening in the lower beam, thereby allowing vertical movement of the shaft. The upper end is kinematically connected to a generator installed on the upper beam.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das Wesen der Erfindung wird durch die folgenden Zeichnungen erläutert:
-
zeigt eine Gesamtansicht der Windenergieanlage. -
- Seitenansicht der Anlage, -
- zeigt eine Vorderansicht der Anlage. -
- Buchse mit Gewinde, an der die vertikale Welle aufgehängt ist, -
- untere Plattform der Windenergieanlage mit sphärischer Öffnung und unterem freien Teil der vertikalen Welle, -
- zeigt die untere Plattform der Anlage mit sphärischer Öffnung, -
- Richtung des Windstroms auf den Rotorblättern und auf der Einheit mit Ansicht des sphärischen Segments.
-
shows an overall view of the wind turbine. -
- Side view of the plant, -
- shows a front view of the facility. -
- Threaded bushing on which the vertical shaft is suspended, -
- lower platform of the wind turbine with spherical opening and lower free part of the vertical shaft, -
- shows the lower platform of the facility with a spherical opening, -
- Direction of the wind flow on the rotor blades and on the unit with a view of the spherical segment.
Ausführung der ErfindungImplementation of the invention
Die Windenergieanlage besteht aus einem Windrad, dessen vertikale Welle (1) mit Rotorblättern (2) verbunden ist. Die Rotorblätter (2) sind profiliert und mit ihrem oberen Teil an den Trennwänden (3) einer Kappe (4) befestigt, sodass das Windrad die Form eines Kreisels annimmt. Die vertikale Welle (1) ist zwischen den freien Enden zweier horizontaler Balken (5, 6) montiert, deren andere Enden starr an einem feststehenden, vertikal angeordneten Ständer (7) befestigt und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Mittels einer Gewindebuchse (8) ist die Welle (1) mit ihrem oberen Teil am oberen horizontalen Balken (5) aufgehängt, während ihr unteres Ende kugelförmig (9) ausgeführt und in einer zylindrischen Öffnung (10) im unteren Balken (6) angeordnet ist, wodurch eine vertikale Bewegung der Welle (1) ermöglicht wird. Das obere Ende der Welle (1) ist kinematisch mit einem auf dem oberen Balken (5) installierten Generator (11) verbunden. Die Mindestanzahl der Rotorblätter (2) des Windrades beträgt drei (fünf oder sieben können ebenfalls bevorzugte Varianten sein). Die Anordnung der Rotorblätter (2) entspricht vollständig der Position der Trennwände (3) der Kappe (4), wodurch das Windrad die Form eines Kreisels (Gyroskops) annimmt (
Die Windenergieanlage funktioniert wie folgt.The wind turbine works as follows.
Die Konstruktion des Windrades ermöglicht eine gleichmäßige Windeinwirkung auf die Rotorblätter (2) unabhängig von der Windrichtung. Bei Windeinwirkung erfolgt die Bewegung des Windrades aufgrund der Differenz zwischen der windzugewandten und windabgewandten Oberfläche der Rotorblätter (2). Infolgedessen beginnt sich das Windrad aufgrund der Staudruckkräfte auf die Rotorblätter (2) um seine Achse zu drehen. Da das Windrad mittels der Buchse (8) auf dem oberen horizontalen Balken (5) der Windenergieanlage aufliegt, erfolgt seine Rotationsbewegung nach dem Prinzip der Gyroskop-Rotation. Darüber hinaus entstehen durch die gegenseitige Ausrichtung der Trennwände (3) der Kappe (4) und der Profile der Rotorblätter (2) unter der Kappe (4) drei separate Bereiche (die Anzahl der Bereiche hängt von der Anzahl der Rotorblätter ab), in denen sich bei windabgewandter Position der angesammelte Windstrom neben der Rotation des Windrades auch bemüht, das Windrad entlang seiner vertikalen Achse nach oben zu drücken. Das Eintreten des unteren Teils (9) der vertikalen Welle (1) des Windrades der Anlage in die zylindrische Öffnung (10) des unteren Balkens (6) wird durch den hängenden Zustand der vertikalen Welle (1) gewährleistet, was gleichzeitig die Rotationsbewegung der vertikalen Welle (1) in der vertikalen Ebene lenkt. Mit anderen Worten, aufgrund der Präzession des „gyroskopischen Effekts“ wird infolge der Gewichtsabnahme des Windrades seine Rotationsfrequenz erhöht.The design of the wind turbine allows for a uniform wind load on the rotor blades (2), regardless of wind direction. When wind is applied, the turbine moves due to the difference in pressure between the windward and leeward surfaces of the rotor blades (2). Consequently, the turbine begins to rotate around its axis due to the dynamic pressure forces acting on the rotor blades (2). Since the turbine rests on the upper horizontal beam (5) of the wind turbine by means of the bushing (8), its rotational movement follows the principle of gyroscope rotation. Furthermore, the mutual alignment of the partitions (3) of the cap (4) and the profiles of the rotor blades (2) beneath the cap (4) creates three separate areas (the number of areas depends on the number of rotor blades). In these areas, when facing away from the wind, the accumulated wind flow, in addition to rotating the turbine, also attempts to push it upwards along its vertical axis. The entry of the lower part (9) of the vertical shaft (1) of the wind turbine into the cylindrical opening (10) of the lower beam (6) is ensured by the suspended state of the vertical shaft (1), which simultaneously directs the rotational movement of the vertical shaft (1) in the vertical plane. In other words, due to the precession of the "gyroscopic effect," the rotational frequency of the wind turbine is increased as a result of the decrease in weight.
Das vorgeschlagene Windrad ermöglicht:
- • die Vereinfachung der Konstruktion von Windturbinen;
- • eine erhebliche Steigerung des Windenergienutzungsgrads;
- • als langsam laufender Windmotor die Gewährleistung der ökologischen Reinheit der Umwelt, da es weder die umgebende Flora und Fauna beeinflusst noch zur Bodenerosion beiträgt.
- • the simplification of the design of wind turbines;
- • a significant increase in the utilization rate of wind energy;
- • as a slow-running wind engine, it ensures the ecological purity of the environment, as it neither affects the surrounding flora and fauna nor contributes to soil erosion.
Der Windgenerator kann in folgenden Bereichen eingesetzt werden:
- • in individuellen Haushalten - deren minimale erforderliche Leistung 5 kW beträgt,
- • lokale Energiesysteme - Mindestleistung 10 kW,
- • dieses Gerät verfügt über ein hohes Drehmoment und kann als Bohr- oder Pumpenaggregat, Mühle, Butterfass oder zum Antrieb von Maschinen, Mechanismen, Werkzeugmaschinen usw. ohne Verwendung eines Elektrogenerators eingesetzt werden.
- • als Dach- und Kelleranlagen von Wohnhäusern als zusätzliche Energiequellen, die den Hauseingang mit Energie versorgen können.
- • Die vorgeschlagenen Anlagen können in Jagdwirtschaften, Datschen- und Gartengemeinschaften eingesetzt werden.
- • Die Anlagen können als Kraftwerke für Offshore-Öl- und Gasförder- und Explorationsplattformen verwendet werden.
- • Die Anlagen können als Bestandteil kombinierter Energiekomplexe eingesetzt werden, die sowohl mit herkömmlichen Dieselgeneratoren als auch mit alternativen Quellen wie neuartigen Umwandlern von Gezeiten- und Solarwärmeenergie usw. kombiniert sind.
- • in individual households - whose minimum required power is 5 kW,
- • local energy systems - minimum output 10 kW,
- • This device has a high torque and can be used as a drilling or pumping unit, mill, butter churn or to drive machines, mechanisms, machine tools, etc. without the use of an electric generator.
- • as roof and basement systems of residential buildings as additional energy sources that can supply the house entrance with energy.
- • The proposed systems can be used in hunting estates, dachas and garden communities.
- • The plants can be used as power plants for offshore oil and gas production and exploration platforms.
- • The systems can be used as part of combined energy complexes, which are combined with both conventional diesel generators and alternative sources such as novel converters of tidal and solar thermal energy, etc.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (3)
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