МЕХАНИЗМ ТРАНСФОРМАЦИИ ЛОПАСТИ ТУРБИНЫ
MECHANISM OF TURBINE BLADE TRANSFORMATION

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения.
Известен механизм трансформации лопасти турбины, содержащий основную часть лопасти, установленную на роторе турбины с возможностью поворота относительно вертикальной оси между механическими ограничителями, в которой больший участок выполнен гибким или составным и конец которого связан гибкой связью с корпусом ротора (патент РФ №2253038, МПК F03D 3/00, 2005).
Недостатком данной конструкции является низкая аэродинамическая эффективность ветротурбины из-за неоптимального аэродинамического профиля лопасти, получаемого путем сгиба ее части.
Известен механизм трансформации лопасти в ветродвигателе с вертикальной осью вращения ротора, поворотными ассиметричными лопастями с предкрылками и закрылками, механическими ограничителями углов поворота лопастей, механизмами согласованного поворота предкрылка и закрылка, а также дифференциальными механизмами поворота предкрылка (патент РФ №2290533, МПК F03D 7/06, 2006).
Эта конструкция механизма наиболее близко совпадает по большинству признаков с предлагаемым техническим решением и использована в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является сложность конструкции лопасти и механизма ее трансформации, в частности необходимость иметь дополнительные элементы, такие как предкрылок, планетарный редуктор и водило.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в упрощении конструкции механизма трансформации лопасти и устранении упомянутых недостатков аналога и прототипа.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что каждая лопасть выполнена из двух жестких составных частей, связанных между собой механизмом согласованного поворота, и при свободном повороте лопастей под действием ветра их геометрия изменяется в соответствии с углом поворота относительно корпуса ротора и силы ветра, обеспечивая оптимальный выпукло-вогнутый аэродинамический профиль и, соответственно, увеличение тяговых характеристик ветродвигателя.
Поставленная задача решается тем, что механизм трансформации лопасти турбины, содержащий основную часть лопасти, установленную на роторе турбины с возможностью поворота относительно вертикальной оси между механическими ограничителями, шарнирно присоединенный к ней закрылок, и кинематическую связь основной части лопасти и закрылка, отличается тем, что кинематическая связь основной части лопасти и закрылка содержит рычаг, скрепленный с закрылком соосно с его геометрической осью, и жесткую тягу, первый конец которой шарнирно связан с концом рычага, а второй шарнирно закреплен на роторе. При этом длина рычага равна 1-3 расстояния от оси поворота лопасти до точки закрепления тяги на роторе, а сумма длин рычага и тяги равна максимальному расстоянию от точки закрепления тяги на роторе до оси поворота закрылка. Кроме того, рычаг закреплен под углом 1-15 градусов относительно хорды закрылка в направлении оси вращения турбины.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «… кинематическая связь основной части лопасти и закрылка содержит рычаг, скрепленный с закрылком соосно с его геометрической осью, и жесткую тягу, первый конец которой шарнирно связан с концом рычага, а второй шарнирно закреплен на роторе…» вместе формируют кинематическую связь ротора, основной части лопасти и закрылка и тем самым позволяют обеспечить требуемую трансформацию аэродинамического профиля лопасти, а именно образование выпуклого профиля с подветренной стороны лопасти путем разворота закрылка относительно основной части лопасти по мере ее пассивного поворота на роторе турбины под действием воздушного потока.
Признак «… длина рычага равна 1-3 расстояния от оси поворота лопасти до точки закрепления тяги на роторе…» позволяет обеспечить оптимальный угол поворота закрылка.
Признак «… сумма длин рычага и тяги равна максимальному расстоянию от точки закрепления тяги на роторе до оси поворота закрылка» дает возможность рычажному механизму пройти "мертвую точку", где рычаг и тяга занимают коллинеарное положение.
Признак «… рычаг закреплен под углом 1-15 градусов относительно хорды закрылка в направлении оси вращения турбины…» обеспечивает образование небольшого момента аэродинамических сил, приложенных к закрылку при прохождении механизмом "мертвой точки" на наветренной стороне турбины, и тем самым обеспечивает надежность разворота закрылка в требуемом направлении.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вид сверху на участок ротора турбины с двумя механизмами трансформации лопасти. На фиг.2 приведен разрез A-A фиг.1. На фиг.3 приведена схема механизма при прохождении "мертвой точки" во флюгерном положении лопасти.
Турбина содержит ротор 1, в котором установлен подшипник 2, несущий опорную шейку 3 основной части лопасти 4. Закрылок 5 шарнирно присоединен к основной части лопасти 4 посредством осей 6 и подшипников 7. Лопасть в сборе выполнена ассиметричной относительно опорной шейки 3. На закрылке 5 с зазором в дугообразном пазу 8 ротора 1 расположен торцовый выступ 9, на котором соосно с геометрической осью закрылка 5 закреплен рычаг 10. Механизм трансформации лопасти также включает жесткую тягу 11, первый конец которой связан с шейкой 12 на конце рычага 10 через подшипник 13. Второй конец жесткой тяги 11 закреплен на шейке 14 ротора 1 посредством подшипника 15. При этом длина рычага 10 (расстояние между геометрической осью поворота закрылка 5 и осью шейки 12) равна 1-3 расстояния между геометрическими осями опорной шейки 3 и шейки 14. Сумма длин рычага 10 и тяги 11 равна максимальному расстоянию между геометрической осью поворота закрылка 5 и осью шейки 14. Кроме того, рычаг закреплен под углом γ=1-15 градусов относительно хорды 16 закрылка 5 в направлении оси вращения турбины. На плоскости ротора 1, обращенной в сторону основной части лопасти 4, расположены упоры 17. Хорда основной части лопасти 4 обозначена позицией 18.
Работает механизм следующим образом. При воздействии ветра (текущей среды) на ротор 1 турбина начинает вращаться (на фиг.1 - по часовой стрелке). При этом происходит поворот основном части лопасти 4 на угол α относительно касательной к круговой траектории оси поворота основной части лопасти 4. При этом в результате воздействия жесткой тяги 11 на шейку 12 на конце рычага 10 закрылок 5 поворачивается на угол β относительно хорды 18 основной части лопасти 4. Угол β меньше угла α, так как длина рычага 10 равна 1-3 расстояния между геометрическими осями опорной шейки 3 и шейки 14. При этом за счет поворота закрылка подветренная сторона лопасти в сборе получает выпуклый профиль, а наветренная - вогнутый.
Угол поворота α основной части лопасти 4 ограничен положением упоров 17. Из-за этого ограничения по мере дальнейшего поворота ротора турбины формируется положительный угол атаки лопастей, находящихся на наветренной стороне ротора, что создает крутящий момент на роторе.
После выхода лопасти на подветренную сторону ротора 1 под действием давления относительного ветра (текущей среды) с внутренней стороны турбины происходит разворот основной части лопасти 4 до второго упора 17 на роторе 1. При этом из-за кинематической связи «ротор 1 - жесткая тяга 11 - рычаг 10» закрылок 5 также разворачивается относительно основной части лопасти 4 в противоположном направлении и, поскольку сумма длин рычага 10 и тяги 11 равна максимальному расстоянию от точки закрепления тяги 11 на роторе 1 до оси поворота закрылка 5, то механизм проходит «мертвую точку» (жесткая тяга 11 и рычаг 10 выровнены), вновь формируя выпуклый профиль на подветренной стороне лопасти. В результате лопасти, находящиеся на подветренной стороне ротора, также создают крутящий момент на роторе 1.
Далее лопасть, выходя на участок движения навстречу потоку, сходит с упора 17 и занимает флюгерное положение, оказывая минимальное сопротивление вращению. Благодаря кинематической связи «ротор 1 - жесткая тяга 11 - рычаг 10» закрылок 5 постепенно выравнивается с основной частью лопасти 4, вновь проходя «мертвую точку» механизма. При этом благодаря углу γ между хордами 16 и 18 с внутренней стороны на закрылке 5 возникает небольшой дополнительный аэро/гидродинамический момент, обеспечивающий надежное прохождение «мертвой точки» механизма в требуемом направлении - с относительным разворотом закрылка навстречу повороту основной части лопасти 4.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить плавную трансформацию профиля лопасти по мере ее пассивного поворота при вращении ротора 1.