Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использовано в народном хозяйстве в зонах с благоприятным и экстремальным ветровыми режимами. Основой любой ветровой электростанции является ветровое колесо или аэротурбина, являющаяся приводом для электрогенератора. Прототипом изобретения является "Аэротурбина для использования энергии воздушных потоков", патент RU №2329399 C1, опубл. в Бюллетене №20 20.07.2008 г. Основным недостатком ее является недостаточная механическая прочность несущего вала-цилиндра при наличии отверстий на его корпусе и ограничения в применении ее в зонах с большими скоростями ветра.The invention relates to wind power plants and can be used in the national economy in areas with favorable and extreme wind conditions. The basis of any wind farm is a wind wheel or a wind turbine, which is the drive for the electric generator. The prototype of the invention is "Aeroturbine for the use of energy of air flows", patent RU No. 232,3991 C1, publ. in Bulletin No. 20 July 20, 2008. Its main drawback is the insufficient mechanical strength of the bearing shaft-cylinder with openings on its body and the restrictions on its use in areas with high wind speeds.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности несущих конструкций аэротурбины, повышение КПД и надежности ее работы при больших скоростях ветра, а также возможность размещения электрогенераторов на земле в закрытом помещении.The technical result of the invention is to increase the strength of the supporting structures of the wind turbine, increase the efficiency and reliability of its operation at high wind speeds, as well as the possibility of placing electric generators on the ground indoors.
Ветровая электростанция с вертикальной двухступенчатой вихревой аротурбиной с центробежными ограничителями скорости вращения аэротурбины содержит аэротурбину, монтируемую на горизонтальных опорах и выполненную из двух вертикально поставленных одна над другой турбин с индивидуальными несущими валами, соединенными с электрогенераторами или иными потребителями энергии вращения через системы передач, муфты и мультипликаторы или редукторы, при этом вал нижней турбины выполнен полым, внутри него через подшипники размешен вал верхней турбины, прикрепленный посредством подшипников к горизонтальным опорам, на поверхности валов установлены диски с пазами на их окружностях, в которых крепятся внутренние концы лопастей, выполненных в виде поверхности, отсеченой от полого цилиндра плоскостью, параллельной образующей, а наружные концы лопастей стянуты между собой узкими кольцами-обручами, сверху и снизу торцы лопастей закрыты основаниями в виде дисков, жестко связанными с ними и с валами, образуя многолопастные турбины, лопасти в которых имеют противоположно направленные изгибы, к основаниям турбин съемными соединениями прикреплены цилиндры, при этом в наружные цилиндры, закрытые конусными обтекателями, нанизанными на валы, встроены конусные, чашеобразные емкости с ребрами, в которые помещены подвижные, в виде жидкости или сыпучих веществ, балласты, в средних же цилиндрах размещены элементы центробежных ограничителей скорости вращения турбин, при этом цилиндр нижней турбины входит в полость цилиндра верхней турбины, на внутренней поверхности последнего закреплены пояс из высокопрочного фрикционного материала и постоянные магниты, образующие радиальное магнитное поле, а цилиндр нижней турбины выполнен в виде ротора с расположенными в зоне магнитного поля на боковой его поверхности изолированными проводниками, верхние концы которых в виде коллекторных пластинок образуют горизонтальный коллектор, а нижние соединены токопроводящей пластинкой у нижнего основания ротора, причем на верхнем основании нижнего цилиндра закреплены рычаги с токопроводящими пластинками на днище и фрикционным материалом на концах, вращающиеся на осях и удерживаемые в нерабочем положении пружинами.A wind farm with a vertical two-stage vortex turbine with centrifugal speed limiters of the turbine contains a turbine mounted on horizontal supports and made of two vertically mounted one above the other turbines with individual bearing shafts connected to electric generators or other consumers of rotational energy through transmission systems, couplings and multiplicators or reducers, while the shaft of the lower turbine is hollow, the shaft of the upper urbins attached by bearings to horizontal bearings, disks with grooves on their circles are mounted on the surface of the shafts, in which the inner ends of the blades are mounted, made in the form of a surface cut off from the hollow cylinder by a plane parallel to the generatrix, and the outer ends of the blades are tightened together by narrow rings -wraps, above and below the ends of the blades are closed by bases in the form of disks, rigidly connected with them and with the shafts, forming multi-blade turbines, the blades of which have opposite directions bends, cylinders are attached to the base of the turbines with removable joints, while conical, bowl-shaped containers with ribs, in which movable, in the form of liquid or bulk solids, ballasts, are installed in the outer cylinders, closed by conical fairings strung on shafts, are in the middle cylinders elements of centrifugal turbine speed limiters are placed, while the cylinder of the lower turbine enters the cavity of the cylinder of the upper turbine, a belt of high-strength friction ma is fixed on the inner surface of the latter terial and permanent magnets forming a radial magnetic field, and the cylinder of the lower turbine is made in the form of a rotor with insulated conductors located in the zone of the magnetic field on its lateral surface, the upper ends of which in the form of collector plates form a horizontal collector, and the lower ends are connected by a conductive plate at the lower base rotor, and on the upper base of the lower cylinder levers are fixed with conductive plates on the bottom and friction material at the ends, rotating on the axes and holding Vai in the rest position by springs.
Указанный технический результат достигается тем, что, как показано на фиг.1, аэротурбина состоит из двух аналогичных турбин, вертикально поставленных одна над другой, имеющих индивидуальные несущие валы 25, 26. При этом вал 26 нижней турбины полый. Внутри него проходит вал 25 верхней турбины, соединяющийся с первым валом 26 через подшипники 23. Вал верхней турбины 25 крепится к горизонтальным опорам 22 через подшипники 23. Поэтому он является несущим валом всей двухступенчатой аэротурбины. На валах 25, 26 установлено несколько дисков или тонких цилиндров 18 с пазами 17 на их окружностях. В пазах 17 закрепляются внутренние концы лопастей 7, выполненных в виде поверхности, отсеченой от полого цилиндра продольной плоскостью, параллельной его образующей. Она может быть металлической, пластмассовой или из композиционных материалов. Но должна быть гибкой. Плоскости из такого материала закрепляются в пазах 17 на дисках 18. Затем их наружные концы загибаются и закрепляются в нескольких местах по длине турбины узкими кольцами-обручами 8. Такая технология крепления лопастей значительно упрощает их изготовление и придает им нужную цилиндрическую поверхность. Между валом 25 (26), дисками 18 и внутренними концами лопастей 7, как показано на фиг.2, образуется свободное центральное пространство. В результате чего, поток воздуха, проходя через всю турбину, как в вихре, задействует, по существу, все лопасти, что значительно повышает КПД турбины. Кроме того, при прохождении потока воздуха по межлопастным пространствам в загибах лопастей появляется дополнительная реактивная сила, что также повышает КПД. На торцах турбин крепятся основания в виде дисков 6, жесткосоединенные с торцами лопастей 7 и валами 25, 26. Таким образом образуются нижняя и верхняя многолопастные турбины, в которых лопасти имеют противоположно направленные загибы. К основаниям 6 съемными соединениями 24 прикрепляются цилиндры 4. Наружные цилиндры 4 закрываются полыми конусными обтекателями 3, нанизанными на валы 25, 26. В полостях этих цилиндров и обтекателей могу размещаться подвижный 21 и неподвижный 19 балласты. В качестве подвижного балласта могут быть использованы жидкость, например вода с антифризом, или сыпучие вещества. При этом емкостью для них являются верхний цилиндр с коническим, чашеобразным дном и полость обтекателя на нижней турбине. В этих емкостях устанавливаются ребра 20, увлекающие балласт во время вращения турбины. На средних же цилиндрах 4 крепятся элементы ограничителей скорости вращения аэротурбины. При этом цилиндр нижней турбины входит в полость цилиндра верхней турбины. На внутренней поверхности цилиндра верхней турбины крепятся пояс 14 из высокопрочного фрикционного материала и постоянные магниты 11, образующие радиальное магнитное поле. Цилиндр нижней турбины выполнен в виде ротора 10 с незакороченными верхними концами проводников, образующими своими пластинками 10-2 горизонтальный коллектор 10-3 (фиг.3). Нижние концы проводников 10-1 у нижнего основания ротора соединены между собой токопроводящей пластинкой 9. Сами проводники 10-1 изолированы друг от друга и расположены на боковой поверхности ротора в зоне действия радиального магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. На верхнем основании цилиндра 10, как показано на фиг.3, 1, крепятся на осях 15, выполненных в виде скоб, подвижные рычаги 13, удерживаемые внерабочем положении пружинами 16, прикрепленными к скобам 15-1 (фиг.1, 3). Концы рычагов 13 изготовлены из высокопрочного материала с большим коэффициентом трения, а на днище рычагов встроены токопроводящие пластинки 12. Валы 25, 26 турбин через системы передач 27, управляемые 29, и обгонные муфты сцепления 30, мультипликаторы или редукторы 2 соединены с электрогенераторами 1 или иными потребителями энергии вращения.The specified technical result is achieved by the fact that, as shown in figure 1, the wind turbine consists of two similar turbines, vertically placed one above the other, having individual bearing shafts 25, 26. The shaft 26 of the lower turbine is hollow. Inside it passes the shaft 25 of the upper turbine, connecting with the first shaft 26 through the bearings 23. The shaft of the upper turbine 25 is attached to the horizontal bearings 22 through the bearings 23. Therefore, it is the bearing shaft of the entire two-stage air turbine. On the shafts 25, 26 there are several disks or thin cylinders 18 with grooves 17 on their circles. In the grooves 17 are fixed the inner ends of the blades 7, made in the form of a surface cut off from the hollow cylinder by a longitudinal plane parallel to its generatrix. It can be metal, plastic or made of composite materials. But it must be flexible. The planes of such material are fixed in the grooves 17 on the disks 18. Then their outer ends are bent and fixed in several places along the length of the turbine with narrow hoop rings 8. This technology of fastening the blades greatly simplifies their manufacture and gives them the desired cylindrical surface. Between the shaft 25 (26), the disks 18 and the inner ends of the blades 7, as shown in FIG. 2, a free central space is formed. As a result, the air flow passing through the entire turbine, as in a whirlwind, involves essentially all the blades, which significantly increases the efficiency of the turbine. In addition, when an air stream passes through the inter-blade spaces in the bends of the blades, an additional reactive force appears, which also increases the efficiency. At the ends of the turbines, bases are mounted in the form of disks 6, rigidly connected to the ends of the blades 7 and the shafts 25, 26. Thus, the lower and upper multi-blade turbines are formed in which the blades have opposite bends. Cylinders 4 are attached to the bases 6 by removable joints 24. Outer cylinders 4 are closed by hollow conical fairings 3 strung on shafts 25, 26. Movable 21 and fixed 19 ballasts can be placed in the cavities of these cylinders and fairings. As mobile ballast can be used a liquid, for example water with antifreeze, or bulk solids. Moreover, the capacity for them is the upper cylinder with a conical, cup-shaped bottom and the cavity of the fairing on the lower turbine. In these tanks, ribs 20 are mounted that carry the ballast during the rotation of the turbine. On the middle cylinders 4 are mounted elements of speed limiters for rotation of the turbine. In this case, the cylinder of the lower turbine enters the cavity of the cylinder of the upper turbine. On the inner surface of the cylinder of the upper turbine are attached a belt 14 of high-strength friction material and permanent magnets 11, forming a radial magnetic field. The cylinder of the lower turbine is made in the form of a rotor 10 with the shorted upper ends of the conductors forming horizontal collector 10-3 with their plates 10-2 (Fig. 3). The lower ends of the conductors 10-1 at the lower base of the rotor are interconnected by a conductive plate 9. The conductors 10-1 themselves are isolated from each other and are located on the side surface of the rotor in the area of action of the radial magnetic field created by permanent magnets. On the upper base of the cylinder 10, as shown in figure 3, 1, are mounted on the axles 15, made in the form of brackets, movable levers 13, held out of position by springs 16 attached to the brackets 15-1 (figure 1, 3). The ends of the levers 13 are made of high-strength material with a high coefficient of friction, and conductive plates 12 are mounted on the bottom of the levers 12. The shafts 25, 26 of the turbines through transmission systems 27 controlled by 29 and bypass clutches 30, multipliers or gearboxes 2 are connected to electric generators 1 or other consumers of energy rotation.
Принцип действия ветровой электростанции заключается в следующем. Под действием потока воздуха, действующего на вогнутые и выпуклые стороны лопастей 7, создается момент вращения турбин. Но так как лопасти турбин имеют противоположно направленные изгибы, то турбины вращаются в разные стороны. Аэротурбина имеет три способа ограничений скорости вращения: динамический, электродинамический и механический, включаемых последовательно в процесс торможения. Все они основаны на использовании центробежной силы, действующей на подвижный балласт 21 и рычаги 13 в процессе вращения турбин. Динамический способ торможения постоянно действующий. Его суть в следующем. При вращении турбин вода (подвижный балласт 21) центробежной силой поднимается вверх по конусному дну емкости на боковые стенки цилиндра 4. Так как изменяются масса воды и радиус вращения относительно оси турбин, то изменяется и величина момента инерции подвижного балласта. Его максимальная величина будет при выбросе всей массы балласта на стенки цилиндра. Угловая скорость вращения турбин уменьшится пропорционально величине момента инерции. Начнется спад воды. Уменьшится момент инерции ее. Скорость вращения возрастет. Такой процесс регулирования скорости вращения турбин будет продолжаться до момента уравновешивания внешнего момента вращения от напора ветра и момента инерции подвижного балласта. По существу, этим осуществляется стабилизация скорости вращения всей аэротурбины.The principle of operation of a wind power plant is as follows. Under the influence of the air flow acting on the concave and convex sides of the blades 7, the moment of rotation of the turbines is created. But since the turbine blades have oppositely directed bends, the turbines rotate in different directions. An air turbine has three methods of limiting rotation speed: dynamic, electrodynamic, and mechanical, which are included in series in the braking process. All of them are based on the use of centrifugal force acting on the movable ballast 21 and levers 13 during the rotation of the turbines. The dynamic braking method is permanent. Its essence is as follows. When the turbines rotate, water (movable ballast 21) rises upward along the conical bottom of the tank to the side walls of cylinder 4. Since the mass of water and the radius of rotation relative to the axis of the turbines change, the moment of inertia of the movable ballast also changes. Its maximum value will be when the entire mass of ballast is ejected onto the cylinder walls. The angular speed of rotation of the turbines will decrease in proportion to the value of the moment of inertia. The decline of water will begin. Its moment of inertia will decrease. The rotation speed will increase. Such a process of controlling the speed of rotation of the turbines will continue until the moment of balancing of the external torque from the wind pressure and the moment of inertia of the moving ballast. Essentially, this stabilizes the rotation speed of the entire air turbine.
Если, несмотря на противодействия динамического способа торможения вращения аэротурбины, ее скорость продолжает увеличиваться, то при достижении центробежной силой величины, большей силы сжатия пружин 16, рычаги 13 начинают поворачиваться на осях 15. Рычаги 13 своими токопроводящими пластинками 12 скользят по коллектору 10-3 и замыкают верхние концы 10-2 проводников 10-1 на цилиндре 10 (см. фиг.3 положение рычага 13-2). Под действием магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 11, в проводниках 10-1 возникает ток и появляется магнитное поле ротора. Последнее, взаимодействуя с магнитным полем от постоянных магнитов, заставляет ротор вращаться вслед за магнитным полем от постоянных магнитов. То есть в противоположную сторону от направления вращения нижней турбины, создавая тем самым тормозящий может вращения всей аэротурбины.If, despite the opposition of the dynamic method of braking the rotation of the wind turbine, its speed continues to increase, then when the centrifugal force reaches a value greater than the compression force of the springs 16, the levers 13 begin to turn on the axes 15. The levers 13 slide along the collector plates 12 along the collector 10-3 and close the upper ends 10-2 of the conductors 10-1 on the cylinder 10 (see figure 3 the position of the lever 13-2). Under the influence of the magnetic field created by the permanent magnets 11, current arises in the conductors 10-1 and the rotor magnetic field appears. The latter, interacting with a magnetic field from permanent magnets, causes the rotor to rotate after the magnetic field from permanent magnets. That is, in the opposite direction from the direction of rotation of the lower turbine, thereby creating a braking can rotate the entire air turbine.
Если динамический и электродинамический способы торможения не в состоянии противодействовать ветровому напору, то в действие вступает механический способ торможения. Рычаги 13,продолжая вращаться на осях 15, своими концами входят в соприкосновение с фрикционным поясом 14 на цилиндре 4 верхней турбины. Происходит механическое торможение вращения турбин силой трения. Чем больше угловая скорость вращения турбин, тем теснее прижимаются рычаги 13 к фрикционному поясу 14, осуществляя торможение вращения всей аэротурбины (см. положение рычага 13-3 на фиг.3). Таким образом осуществляется последовательное задействование электродинамического и механического способов ограничения скорости вращения аэротурбины. На фиг.3 показаны положения 4-х рычагов 13:исходное положение рычага 13-1, момент замыкания пластинок 10-2 коллектора 19-3 рычагом 13-2, механическое торможение рычагом 13-3 и последовательность действий рычага 13-4 при осуществлении торможения. Следует заметить, что динамический способ торможения у верхней и нижней турбин может быть разным по величине, в то время как остальные способы торможения вращения турбин взаимосвязаны и присущи всей аэротурбине.If the dynamic and electrodynamic braking methods are not able to counteract the wind pressure, then the mechanical braking method comes into effect. The levers 13, while continuing to rotate on the axes 15, their ends come in contact with the friction belt 14 on the cylinder 4 of the upper turbine. Mechanical turbine rotation is braked by friction. The greater the angular velocity of rotation of the turbines, the closer the levers 13 are pressed against the friction belt 14, braking the rotation of the entire air turbine (see the position of the lever 13-3 in figure 3). In this way, the electrodynamic and mechanical methods of limiting the speed of rotation of the wind turbine are sequentially activated. Figure 3 shows the positions of the 4 levers 13: the initial position of the lever 13-1, the moment of closure of the plates 10-2 of the collector 19-3 by the lever 13-2, mechanical braking by the lever 13-3 and the sequence of actions of the lever 13-4 when braking . It should be noted that the dynamic braking method for the upper and lower turbines can be different in magnitude, while the other methods of braking the rotation of the turbines are interconnected and inherent in the whole air turbine.
Безусловно, в зонах с благоприятным ветровом режимом можно использовать только механический способ торможения, как аварийный вариант ограничения скорости вращения аэротурбины. Динамический же способ ограничения скорости необходим как стабилизатор скорости ее вращения. Двухступенчатая аэротурбина с разносторонним вращением турбин существенно снижают момент вращения, создаваемый на опорах, что позволяет их использовать на подвижных объектах. Например, на судах такие аэротурбины можно использовать, нагружая на ходовые винты, не только в аварийных случаях, но и постоянно - в целях экономии топлива. Такие аэротурбины можно устанавливать на крышах высотных зданий в качестве приводов местных электрогенераторов, обеспечивающих энергией лифтовое хозяйство или потребителей всего здания. Параллельное соединение нескольких аэротурбин позволит задействовать электрогенераторы больших мощностей. При этом электроустановки будут размещены в изолированных от непогоды помещениях.Of course, in areas with favorable wind conditions, only the mechanical braking method can be used, as an emergency option for limiting the speed of rotation of an air turbine. A dynamic method of speed limitation is needed as a stabilizer of its rotation speed. A two-stage turbine with versatile rotation of the turbines significantly reduces the torque generated on the supports, which allows them to be used on moving objects. For example, on ships such air turbines can be used by loading on the propellers, not only in emergency cases, but also constantly - in order to save fuel. Such wind turbines can be installed on the roofs of high-rise buildings as drives of local electric generators providing energy to the elevator economy or consumers of the entire building. The parallel connection of several wind turbines will enable the use of high-power generators. At the same time, electrical installations will be placed in rooms isolated from the weather.