СПОСОБ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ РАСКРУТКИ КРЫЛЬЧАТОГО ВЕТРОКОЛЕСА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
METHOD OF SHAPING AND AERODYNAMIC OVERSPEEDING OF WIND IMPELLER WITH HORIZONTAL ROTATION AXIS

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения крыльчатого (лопастного) самоориентирующегося по ветру ветроколеса (ВК).
Известны способы формообразования и аэродинамической раскрутки самоориентирующихся по направлению ветра ВК с горизонтальной осью вращения, реализованные в различных конструкциях ВЭУ (см., например. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, М.: "Советская энциклопедия", 1971 г., т.4, стр.589-594). В частности, в зависимости от числа лопастей различают ВК быстроходные, средней быстроходности и тихоходные. При этом полезная утилизация ветрового потока разными типами ветроколес ВЭУ имеет свои особенности: например, для низкопотенциальных ветров производительность тихоходных ВК обычно выше, чем быстроходных, но с ускорением ветропотока (поскольку мощность на валу ВК пропорциональна кубу скорости ветра) быстроходные ветроколеса становятся предпочтительнее.
Известен способ формообразования и аэродинамической раскрутки крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения, который сочетает преимущества ветроколес различных типов путем применения диффузора, располагаемого в плоскости вращения ВК (см., например, Я.И.Шефтер "Использование энергии ветра", М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр.170 (рис.9.1.), 172-173 (ближайший аналог)).
Однако способ - ближайший аналог вследствие применения крупноразмерного (более диаметра ВК) прецизионного (для максимизации аэродинамической раскрутки ВК) диффузора требует повышенной мощности приводов и сложной ориентирующей связку диффузор-ВК по направлению ветра трансмиссии. Кроме того, значительная парусность диффузора предопределяет наличие повышенных нагрузок на конструкцию ВЭУ при буревом ветре. Еще одним принципиальным недостатком ближайшего аналога является значительная стоимость ветродвигательного комплекса, обусловленная конструктивной сложностью его формообразования из крыльчатого ВК и диффузора.
Целью предлагаемого изобретения является создание способа формообразования и аэродинамической раскрутки крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения для работы ВЭУ как в низкопотенциальных, так и в скоростных ветропотоках, позволяющего реализовать относительно простые (в том числе отработанные на ВК традиционных схем) недорогие конструкции ветродвигательного комплекса, запуск ВК при малых скоростях ветра и режим автоматического самоторможения элементов ВК на скоростях ветра выше расчетных.
Указанная цель достигается тем, что в способе формообразования и аэродинамической раскрутки самоориентирующегося по ветру крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения, включающем заклинение под углом к ветропотоку и аэродинамическое профилирование лопастей ВК, в качестве лопасти либо участка лопасти ВК применяют полипланную решетку (плоскую или клиновую) с радиальными относительно оси вращения ВК и/или параллельными продольной оси лопасти планами, которую по крайней мере в начальной фазе аэродинамической раскрутки ВК (при низкопотенциальных ветропотоках) ориентируют под углом 0 градусов относительно плоскости вращения ВК (таким образом, чтобы аэродинамические фокусы отдельных планов последовательно располагались в плоскости вращения ВК). При этом хорды планов фиксируют жестко под углом от 5 до 85 градусов или с возможностью их синхронного разворота в диапазоне углов +/-90 градусов относительно нормали с наветренной стороны к плоскости полипланной решетки (иначе, относительно направления невозмущенного ветрового потока, взаимодействующего с самоориентирующимся по ветру ВК).
Чувствительность коэффициента подъемной силы планов к изменению числа Рейнольдса при нестационарном ветровом потоке и переходе планов с докритического в закритическое обтекание, и наоборот, нейтрализуют путем формирования сечения планов в виде дозвуковых аэродинамических профилей относительной толщиной от 0,1% до 10% хорды, плоских или слабоизогнутых (с относительной вогнутостью до 10%), которые располагают в плоскости полипланной решетки таким образом, чтобы расстояние между аэродинамическими фокусами соседних планов составляло 0,4…10,0 хорд плана.
В ряде случаев планы фиксируют одной или несколькими поперечными перемычками (плоскими и/или изогнутыми по дуге окружности определенного радиуса относительно оси вращения ВК), которые располагают в плоскости полипланной решетки на расстоянии друг от друга 1,0…1000 хорд плана.
Планы и/или участки планов между перемычками могут иметь геометрическую и/или аэродинамическую крутку.
Дополнительно, лопасть ВК может снабжаться носовым и/или хвостовым аэродинамическими обтекателями полипланной решетки.
ветра расч.мах
ВК расч.мах
ветра расч.мах
ВК расч.мах
Коэффициент аэродинамического сопротивления собственно планов минимизируют на угле заклинения β=arctg(V/V), где V - максимальная расчетная скорость невозмущенного ветропотока в рабочем диапазоне ВК, V - предельно допустимая скорость воздушного потока в рассматриваемом сечении лопасти ветроколеса, обусловленная его вращением относительно неподвижного воздуха (т.н. обращенная скорость воздушного потока), 0≤β≤90°.
На фиг.1, 2, 3 представлена принципиальная схема формообразования ВК по предлагаемому способу. На фиг.4, 5 показана схема полипланной решетки - элемента лопасти ВК. На фиг.6, 7, 8 изображена схема сил, возникающих на полипланной решетке ВК при его аэродинамической раскрутке, работе на максимальной расчетной скорости и в режиме автоматического самоторможения. На фиг.9 представлен сравнительный ("качественный") график работы традиционного лопастного ВК фиксированного шага (монопланного, с горизонтальной осью вращения, самоориентирующегося по ветру) и ветродвигателя (также фиксированного шага) ВЭУ по предлагаемому техническому решению. Приняты обозначения:
ветра
V - скорость невозмущенного ветролотока,
BK
V - скорость воздушного потока в рассматриваемом сечении лопасти ВК, обусловленная его вращением относительно неподвижного воздуха (т.н. обращенная скорость воздушного потока),
min 1
max 1
V, V - соответственно минимальное и максимальное значения скорости ветра для штатной работы ВЭУ с лопастным ВК традиционного типа в режиме энергогенерации,
min 2
max 2
V, V - соответственно минимальное и максимальное значения скорости ветра для штатной работы ВЭУ с ВК по предложенному техническому решению в режиме эиергогенерации,
1 - монопланная лопасть ВК,
2 - полипланная решетка,
3 - план полипланной решетки,
4 - поперечная перемычка,
5 - аэродинамический обтекатель полипланной решетки.
Работа ВЭУ по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.
ветра
ветра
ВК
Лопасть 1 крыльчатого ветроколеса снабжается полипланной решеткой (решетками) 2, см. фиг.1, 2. При этом за счет развитой площади рабочих аэродинамических поверхностей-планов 3 полипланных решеток 2 (особенно отнесенных на большом плече относительно оси вращения ВК), нечувствительных к значению числа Рейнольдса (Re - отношение сил инерции воздуха к силам вязкости), аэродинамическая раскрутка ветроколеса начинается уже при относительно низкопотенциальных (например, на уровне V~1,0…2,0 м/с) ветропотоках. Уверенному и "мягкому" запуску ВК при |V|>>|V| дополнительно способствуют, помимо возможности увеличения общей рабочей площади планов 3 относительно соответствующей площади участка лопасти 1 ветроколеса-воздушного винта, возможность заклинения планов 3 с углом β, существенно меньшим угла заклинения соответствующего участка лопасти 1 традиционного ВК (что максимизирует полезную "вращающую ВК" составляющую аэродинамической силы), а также весовое (и соответственно инерционное) облегчение ветроколеса вследствие известного преимущества в уровне материалоемкости и жесткости полипланных решеток 2 по сравнению с традиционными конструктивно-силовыми схемами крыльев-лопастей 1 (см., например, И.С.Голубев, А.В.Самарин, В.И.Новосельцев "Конструкция и проектирование летательных аппаратов", М.: Машиностроение, 1995 г., стр.259) при нечувствительности профилей планов 3 - плоских и/или слабоизогнутых, например, типа G-417a -к числу Re (см., например, А.А.Болонкин "Теория полета летающих моделей", М.: изд-во ДОСААФ, 1962 г., - стр.27-40).
Последующее увеличение окружной скорости концевых участков лопасти ветроколеса, в случае размещения там полипланных решеток 2 под углом 0 градусов относительно плоскости вращения ВК, не приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления этих участков вследствие минимизации миделя и введения аэродинамических обтекателей 5 полипланных решеток 2 в отличие от традиционных лопастей 1 ВК (см. фиг.3, 5).
ветра
ветра раоч.мах
BK
ВК расч.мах
Σ
ветра
BK
В известной мере новым качеством является возможность автоматического самоторможения полипланных решеток 2 - элементов ВК, образованного по предложенному способу, при V>V (и соответственно V>V). Это связано с тем, что угол атаки α плана 3 (угол между хордой плана 3 полипланной решетки 2 и вектором суммарной воздушной скорости V (геометрическая сумма векторов V и V в рассматриваемом сечении лопасти ВК) меняет знак относительно линии хорды плана, и соответственно меняет знак вектор подъемной силы плана 3, которая обеспечивает вращение ветроколеса в ту или иную сторону с определенной угловой скоростью, см. фиг.6-8.
Теория полипланных решеток представлена, например, в публикации С.М.Белоцерковский, А.С.Гиневский, Я.Е.Полонский "Промышленная аэродинамика”, выпуск 22 "Силовые и моментные аэродинамические характеристики решеток тонких профилей", М.: Оборонгиз, 1962 г. Обозначения и определения, принятые для лолипланных решеток в рамках данного технического решения, показаны на фиг.4.
Следует также отметить, что относительная конструктивно-компоновочная и технологическая простота формируемого предложенным способом ветродвигательного комплекса - с учетом широкого использования отработанных схем механических связей, энергогенерации и управления существующих ВЭУ - является важным фактором с точки зрения критерия "стоимость-эффективность" и степени распространенности ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения ВК (~70% мирового парка ВЭУ).
Дополнительно отметим, что показанная на фиг.1 принципиальная схема формообразования ВК включает размещение полипланных решеток 2 в концевых частях монопланных лопастей 1 - на максимальном плече (что в большинстве случаев представляется наиболее предпочтительным). При этом планы 3 выполнены параллельными продольной оси лопасти 1. На фиг.2 практически вся лопасть ВК выполнена как полипланная решетка (с управляемой либо фиксированной ориентацией планов 3 относительно вектора невозмущенного ветропотока). В данном случае планы 3 размещены радиально относительно оси вращения ветроколеса, а для формирования заданной их геометрии и увеличения общей жесткости лопасти могут быть введены поперечные перемычки 4 - плоские и/или изогнутые по дуге окружности фиксированного радиуса относительно оси вращения ВК. Перемычки 4 расположены в плоскости полипланной решетки 2; в случае многоярусного их размещения расстояние между соседними перемычками 4 (по радиусу ВК для каждой конкретной лопасти) составляет 1,0…1000 хорд плана 3. Следует отметить, что могут существовать конструкции ВК с полипланными решетками 2 и в корневых частях лопасти 1, а также другие комбинации монопланных и полипланных участков управляемых (в т.ч. изменяемого шага) и неуправляемых прямых и изогнутых лопастей ветроколеса ВЭУ.
Различные виды планов 3 полипланной решетки 2, в т.ч. с сечениями типа дозвуковых аэродинамических профилей (аэродинамически наивыгоднейший вариант), дуг окружностей и плоских пластин (технологически предпочтительный вариант), представлены, например, на фиг.3-8. Планы 3 (участки планов 3 между перемычками 4) могут иметь геометрическую и/или аэродинамическую крутку с целью увеличения их несущих свойств. Также может варьироваться длина хорды планов 3, например, в полипланных решетках 2 с клиновым (или иным неплоским) сечением. Аэродинамические фокусы планов 3 при этом целесообразно располагать последовательно (друг за другом) в плоскости вращения ВК - с целью минимизации миделя полипланной решетки 2.
ветра
Σ
При этом ориентация жестко фиксированных планов 3 полипланной решетки 2 - угол β (см. фиг.4) - с учетом реальных значений V и рабочих значений реализуемой раскрутки ветроколеса будет в интервале от 5 до 85 градусов относительно нормали с наветренной стороны к плоскости полипланной решетки 2 самоориентирующегося до ветру ВК. Ориентацию же управляемых (как правило, синхронно регулируемых в зависимости от параметров V) планов 3 при этом целесообразно осуществлять в диапазоне +/-90 градусов относительно нормали к плоскости полипланной решетки 2 самоориентирующегося по направлению ветра ВК - в этом случае обеспечивается полное управление направлением и скоростью вращения ветроколеса ВЭУ (см. фиг.6-8).
Весьма важным фактором, влияющим на размерность хорды профиля лопасти 1 (плана 3 полипланной решетки 2) ВК для заданных рабочих значений ветропотока, а также толщину, кривизну (вогнутость) и технологическую шероховатость лопасти 1 (плана 3 полипланной решетки 2) ВК, является число Re - именно поэтому, кстати, аэродинамика несущих поверхностей насекомых столь разительно отличается от аэродинамики крыльев птиц и дозвуковых самолетов. При этом следует отметить, что различные сечения (профили) аэродинамически "активных" объектов имеют заметно отличную чувствительность к изменению числа Re - особенно это касается переходов с докритического в закритическое обтекание воздушным потоком (например, нестационарным), и наоборот, что выражается в резком (скачкообразном) изменении аэродинамических коэффициентов для подъемной силы и сопротивления. Именно поэтому в данном техническом решении, ориентированном на полезное использование низкопотенциальных ветропотоков, предложены относительно нечувствительные к таким переходам сечения планов 3 - в виде “тонких" дозвуковых аэродинамических профилей с относительной толщиной (отношение максимальной толщины профиля к его хорде) от 0,1 до 10%, плоских или слабоизогнутых с относительной вогнутостью (отношение максимальной стрелы прогиба профиля к его хорде) до 10%. Расстояние между соседними профилями (фокусами, характерными конгруэнтными точками) планов 3 - с учетом технического назначения ВЭУ и недопущения "запирания" воздушного потока в лолипланной решетке 2 ВК - должно составлять 0,4…10,0 хорд профиля плана 3. Планы 3 неодинаковой длины (характерно для неплоских, например, клиновых полипланных решеток 2), а также радиального относительно оси вращения ВК расположения в среднем размещают на тех же относительных расстояниях, при этом допускается варьировать "густотой” полипланной решетки 2 (см., например, фиг.2).
min 1
min 2
шах 2
max 1
min 2
max 2
Следует особо подчеркнуть, что, как уже указывалось ранее, применение данного способа позволяет существенно уменьшить момент инерции и массу ветроколеса заданной размерности при сохранении и даже увеличении полезной составляющей аэродинамических сил на ВК от скоростного напора ветропотока и тем самым реализовать штатное энергогенерирующее функционирование ВЭУ при пониженных относительно традиционных лопастных ВК значениях рабочих ветров (V≥V). При этом вследствие реализации режима автоматического самоторможения полипланных решеток 2 становится возможным штатное энергогенерирующее функционирование ВЭУ при V≥V (см. фиг.9). В средней же части рабочего диапазона ветров (иначе, в срединной области интервала V-V) хорошо работают монопланные участки, в т.ч. корневые, лопасти 1 ветроколеса.
ветра
В ряде случаев целесообразно "разменять" данные новые качества следующим образом: либо увеличить размерность (соответственно рабочее плечо) ВК при сохранении его инерционно-массовых характеристик на уровне "базового" монопланного, что позволит той же самой ВЭУ штатно работать на “сверхнизкопотенциальных" ветропотоках, либо уменьшить габариты ВК при фиксированном для V=const моменте аэродинамических сил на валу (на уровне "базового" ветроколеса), что даст возможность при неизменной энергогенерации уменьшить общие массогабаритные и стоимостные характеристики ВЭУ. Особо следует отметить, что предложенное техническое решение оптимизировано именно для ветродвигательного режима работы ВЭУ (цель: "ветропотоки малые, но обороты ВК большие") и в этом смысле является антиподом винтовых движителей (цель: "обороты винта малые, но отбрасываемые массы и скорости частиц среды (воздуха, воды) большие”). С учетом возможностей увеличения сметаемой ветроколесом ВЭУ площади (что часто является критичным параметром для винтовых движителей, габариты которых лимитируются комплексом конструктивно-компоновочных ограничений на изделие в целом) применение легких (малоинерционных) и жестких полипланных решеток, малочувствительных к изменениям числа Re, пригодных для утилизации низкопотенциальных ветропотоков, может явиться своеобразным "качественным" скачком в технологии ВК-ветродвигателей.
Реализация предложенного способа позволит, как представляется, относительно простыми средствами формообразования и аэродинамической раскрутки ВК "по Лавренову" расширить рабочий диапазон ветров для штатного энергогенерирующего режима функционирования наиболее распространенных ВЭУ с горизонтальной осью вращения лопастного самоориентирующегося ветроколеса при сохранении без сколько-нибудь существенных доработок имеющихся ныне конструктивно-компоновочных и программно-аппаратных реализаций таких ветроустановок.