Лопасть ветродвигателя

Полезная модель относится к составным частям лопастных ветродвигателей и может быть использована при конструировании и промышленном производстве ветроэнергетических установок.
Известно ветроколесо, содержащее ступицу и установленные на ней радиальные лопасти, каждая из которых оснащена открылком, который содержит аэродинамическую поверхность переменного сечения, консольно закреплен на конце лопасти, направлен в сторону спинки профиля ветродвигателя и сопряжен с ее поверхностью перпендикулярно радиусу ветроколеса (см. а.с. СССР № 1657720, МПК F03D 1/06, дата публикации 23.06.1991).
Недостатком данного ветроколеса является сравнительно низкая аэродинамическая эффективность, обусловленная недоиспользованием возможностей аэродинамики и конструкции лопасти ветродвигателя.
В качестве ближайшего аналога принята лопасть ветродвигателя, содержащая корпус лопасти, который со стороны своего корневого сечения жестко закреплен на ступице ротора ветродвигателя, а со стороны концевого сечения снабжен открылком, содержащим аэродинамическую поверхность переменного сечения с аэродинамическим профилем, причем корпус лопасти образован аэродинамической поверхностью переменного сечения, набранной из одного или более аэродинамических профилей, соединенных криволинейными образующими (см. патент РФ № 141937, МПК F03D 1/06, дата публикации 20.06.2014).
Недостатком ближайшего аналога является его сравнительно низкая аэродинамическая эффективность и ограниченная область применения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство – повышение эксплуатационных характеристик лопасти.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в улучшении эксплуатационных характеристик в силу следующих факторов:
- повышение аэродинамической эффективности благодаря возможности изменения площади поверхности лопасти при сохранении аэродинамического профиля;
- повышение устойчивости устройства к порывам ветра из-за увеличенной толщины лопастей;
- более стабильное вращение ротора за счет увеличения его момента инерции;
- возможность применения на ветроэнергетических установках как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения.
Поставленная задача решается тем, что лопасть ветродвигателя, содержащая корпус лопасти, который со стороны своего корневого сечения жестко закреплен на ступице ротора ветродвигателя, а со стороны концевого сечения снабжен открылком, содержащим аэродинамическую поверхность переменного сечения с аэродинамическим профилем, причем корпус лопасти образован аэродинамической поверхностью переменного сечения, набранной из одного или более аэродинамических профилей, соединенных криволинейными образующими, отличается тем, что корпус лопасти выполнен полым и его корневое и концевое сечения ориентированы без поворота относительно друг друга, причем концевое сечение выполнено в виде сквозного отверстия, кроме того, торцы открылка снабжены продольными выступами, выполненными с возможностью перемещения в обращенных к ним пазах торцов корпуса, которые выполнены открытыми со стороны концевого сечения корпуса, кроме того, открылок со стороны своего корневого сечения жестко соединен с несущим элементом, расположенным в полости корпуса, и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в полости корпуса и через концевое сечение лопасти, при котором продольные выступы открылка перемещаются вдоль соответствующих пазов торцов корпуса.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «корпус лопасти выполнен полым и его корневое и концевое сечения ориентированы без поворота относительно друг друга» обеспечивают возможность перемещения открылка в полости корпуса, а также снижают трудоемкость изготовления корпуса лопасти.
Признак «концевое сечение выполнено в виде сквозного отверстия» обеспечивает возможность перемещения открылка за пределы корпуса лопасти.
Признаки «торцы открылка снабжены продольными выступами, выполненными с возможностью перемещения в обращенных к ним пазах торцов корпуса, которые выполнены открытыми со стороны концевого сечения корпуса» ограничивают перемещение открылка как в поперечном, так и в продольном направлениях.
Признаки «открылок со стороны своего корневого сечения жестко соединен с несущим элементом, расположенным в полости корпуса» обеспечивают надежное крепление открылка и общую прочность устройства.
Признаки «открылок… выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в полости корпуса и через концевое сечение лопасти, при котором продольные выступы открылка перемещаются вдоль соответствующих пазов торцов корпуса» описывают механизм изменения площади поверхности лопасти за счет перемещения открылка.
На фиг.1 показан вид устройства со стороны рабочей поверхности лопасти.
На фиг.2 изображен продольный разрез устройства.
На фиг.3 приведены продольные разрезы лопасти:
а – при исходном положении открылка;
б – при максимально выдвинутом открылке.
На фиг.4 изображен общий вид открылка.
На чертежах показаны корпус 1 лопасти и его криволинейные образующие 2, корневое 3 и концевое 4 сечения соответственно, ступица 5 ротора ветродвигателя, открылок 6 с продольными выступами 7, пазы 8 торцов 9 корпуса 1 лопасти, несущий элемент 10, элементы 11, соединяющие несущий элемент 10 и открылок 6.
Также на чертежах указаны следующие обозначения:
1
b – хорда аэродинамического профиля, образованного корпусом лопасти и внешней частью открылка, при максимально выдвинутом открылке;
2
b – хорда аэродинамического профиля, образованного корпусом лопасти и внешней частью открылка, при исходном положении открылка;
R – радиус ротора;
h – высота лопасти.
Корпус 1 лопасти выполнен полым и образован аэродинамической поверхностью переменного сечения, набранной из одного или более аэродинамических профилей (на чертежах не показаны), соединенных криволинейными образующими 2.
Корневое 3 и концевое 4 сечения корпуса 1 лопасти ориентированы без поворота относительно друг друга, причем корпус 1 со стороны корневого сечения 3 жестко закреплен на ступице 5 ротора ветродвигателя, а со стороны концевого сечения 4, выполненного в виде сквозного отверстия, снабжен открылком 6.
В торцах 9 корпуса 1 организованы пазы 8, которые выполнены открытыми со стороны концевого сечения 4 корпуса 1.
Открылок 6 содержит аэродинамическую поверхность переменного сечения с аэродинамическим профилем и его торцы снабжены продольными выступами 7, выполненными с возможностью перемещения в обращенных к ним пазах 8 торцов 9 корпуса 1.
Открылок 6 со стороны своего корневого сечения жестко соединен с помощью элементов 11 с несущим элементом 10, расположенным в полости корпуса 1, и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в полости корпуса 1 и через концевое сечение 4 корпуса 1, при котором продольные выступы 7 открылка 6 перемещаются вдоль соответствующих пазов 8 торцов 9 корпуса 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При воздействии потока ветра на рабочую поверхность лопасти происходит вращение лопастей относительно оси ротора.
С целью повышения КПД ветроэнергетической установки, например при старте ветротурбины или при скоростях ветра ниже 4 м/с, с помощью элементов 11 перемещают открылок 6 в полости корпуса 1 и через концевое сечение 4 за пределы корпуса 1, при этом продольные выступы 7 открылка 6 перемещаются вдоль соответствующих пазов 8 торцов 9 корпуса 1, таким образом за счет увеличения площади поверхности лопасти повышается аэродинамическая эффективность устройства.
Чтобы уменьшить площадь поверхности лопасти, открылок 6 с помощью элементов 11 перемещают через концевое сечение 4 в полость корпуса 1.
Оптимальные рабочие характеристики (максимальный коэффициент мощности Ср и др.) зависят от прочности ротора и быстроходности Z.
Для вертикально-осевых ветроэнергетических установок прочность ротора зависит от количества лопастей Nb, хорды b (которая зависит от положения открылка) аэродинамического профиля, образованного корпусом лопасти и внешней частью открылка, и радиуса R ротора. Отношение скорости кромки лопасти является функцией угловой скорости, скорости невозмущенного ветра и радиуса ротора.
Увеличение коэффициента быстроходности Z приводит к подавлению процесса формирования динамического срыва потока ветра с вертикальных лопастей, но при этом одновременно снижается возможность самостоятельного старта ветротурбины.
В зонах умеренных ветров ветровая энергетическая установка должна начинать работу с 4 м/с.
Выбор радиуса R ротора вычисляется из соотношения 1,5*R>L>4b, такие данные взяты из соображений прочности компонентов и минимизации влияния индуктивного сопротивления (см. Соломин Е.В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок: монография. Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2011. 324 с.).
1
Учитывая вышесказанное, оптимальный размер внешней части открылка, выступающей за пределы корпуса лопасти, составляет 1-15% хорды b аэродинамического профиля, образованного корпусом лопасти и внешней частью открылка при максимально выдвинутом открылке, т.к. при больших значениях радиус R ротора увеличивается, а соотношение сторон ветротурбины (AR), определяемое как отношение высоты лопасти к радиусу ротора (AR = h/R), уменьшается, как следствие коэффициент мощности увеличится, а скорость вращения ротора, наоборот, упадет.