ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ ВЕТРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С ЛОПАСТЯМИ ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИИ
AIR PROPELLER OF WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH BLADES OF VARIABLE GEOMETRY

Изобретение относится к ветряным двигателям, а именно к конструкции роторов ветросиловых установок с горизонтальным валом.
Изобретение также может быть использовано на воздушных винтах летательных аппаратов с большим диапазоном поступи винта, например самолетов с вертикальным стартом.
Известны винты ветросиловых установок с фиксированным шагом и лопастями без геометрической крутки. Достоинством таких винтов является простота конструкции и технологичность изготовления. Эти винты имеют ряд недостатков. Одним из них является то, что только небольшая часть лопасти работает на углах атаки, близким к оптимальным. При проектировании разработчик стремится, чтобы режим оптимального обтекания находился вблизи поперечного сечения лопасти на радиусе r=0,75R (R- радиус ротора). Однако с изменением скорости потока этот участок смещается вдоль лопасти в одну или другую сторону. Увеличиваются участки лопасти со срывным обтеканием, то есть участки, углы атаки профиля которых выше критических. Такая работа лопасти и винта может сопровождаться вибрациями и шумом. Коэффициент полезного действия (КПД) таких винтов составляет всего 20-25%, вследствие чего используются они только на маломощных ветроэнергетических установках совместно с различного рода ограничителями частоты вращения ротора [Ветряные двигатели. Оценка энергетического потенциала ветра. http:narod.ru/gratis/winds.htm].
Известны винты ветросиловых установок с фиксированным шагом и лопастями с геометрической круткой. Достоинством таких винтов является то, что при некоторой, вполне определенной скорости потока, которую задал разработчик, все сечения лопасти работают на оптимальном угле атаки, КПД винта на таком режиме приближается к теоретически возможному и винты создают минимальный шум. Недостатком такого винта является однорежимность. Увеличение или снижение скорости потока нарушает картину обтекания и снижает КПД до 25-35%, но не так резко как у винта с фиксированным шагом. Эти винты также должны работать с ограничителями частоты вращения ротора. Их целесообразно использовать в условиях малого градиента скоростей ветра [Ларионова А.В., Чумак П.И. Ход проектирования и изготовления малогабаритной ВЭУ. Российская цивилизация: прошлое, настоящее и будущее Р76 // Сборник научных трудов III научно-практической конференции. - Ставрополь: ООО «Мир данных», 2010, с.356-358].
Широко известны винты ветросиловых установок с лопастями изменяемого шага, но без геометрической крутки. Именно такие винты в настоящее время используются на подавляющем большинстве ветроэнергетических установок. Главным их преимуществом является всережимность за счет того, что регулятор подстраивает углы атаки таким образом, чтобы частота вращения ротора поддерживалась близкой к заданной. Функции ограничителя частоты вращения в большинстве случаев берет на себя сам регулятор установки. Недостатком таких воздушных винтов является то, что оптимальное обтекание осуществляется только в небольшой области лопасти, что сказывается на значении КПД, а иногда и шумности установки.
Известен воздушный винт, лопасти которого соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов (патент Франции №2041747, МПК B64C 27/00). В этом винте упругая средняя часть торсиона состоит из продольно расположенных отдельных пучков высокопрочных волокон. Недостатком этой конструкции является низкая изгибная жесткость торсиона при поперечном изгибе.
Известны также винты, лопасти которых соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов (патент США №4427340, МПК B64C 27/38). В таком винте ближняя к лопасти зона, работающая в основном на кручение, состоит из монолитных продольно расположенных ребристых балок, выполненных в виде элементов открытого (незамкнутого) профиля). К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность получения оптимальных размеров торсионов, обеспечивающих высокую изгибную жесткость при низкой жесткости на кручение.
Известен воздушный винт с изменяемым шагом лопастей (патент РФ на изобретение №2349504 B64C 27/48, взятый за прототип), соединенных с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, выполненных на участках, испытывающих преимущественно деформацию кручения в виде балки, состоящей из продольно расположенных силовых элементов открытого профиля с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичным заполнителем, а в заделках по концам торсиона или участка кручения - в зоне изгиба, в местах соединения торсиона с лопастью, валом, промежуточными деталями, в местах соединения зон кручения и изгиба одного торсиона или торсионов между собой, - силовые элементы соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью.
Такой винт будет хорошо работать при косой обдувке или неравномерном поле скоростей перед винтом. Недостатком этого винта, как и рассмотренных выше, является то, что регулятор настраивает на оптимальную работу только небольшой участок лопасти, обычно вблизи отметки на радиусе r=0,75R (R - радиус ротора). Использование геометрической и аэродинамической крутки жесткого пера лопасти не расширяет диапазон оптимальной зоны на всю лопасть.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в разработке конструкции воздушного винта, позволяющего обеспечивать оптимальное обтекание лопасти по всей ее длине, при всех эксплуатационных скоростях набегающего потока воздуха, за счет использования лопастей изменяемой геометрии (адаптирующихся лопастей).
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в обеспечении плавного оптимального обтекания аэродинамического профиля по всей длине лопасти воздушного винта ветросиловой установки за счет изменения геометрической крутки лопасти в зависимости от скорости ветра, используя низкую крутильную жесткость открытых профилей с помощью центробежного регулятора частоты вращения.
Технический результат изобретения достигается тем, что в воздушном винте ветровой установки с лопастями изменяемой геометрии, включающем в себя лопасти, соединенные с валом винта, узел управления, упругие на изгиб и кручение торсионы, в отличие от прототипа незамкнутый по задней кромке аэродинамический профиль лопасти, состоящий из обшивки и набора подкрепляющих типовых нервюр, соединен с валом винта при помощи концевой нервюры, торсиона, трубчатого вала, выполняющего роль лонжерона, и комля лопасти, при этом жесткость торсиона на кручение выбрана из условия максимально необходимого поворота концевой нервюры, при максимальном крутящем моменте, приложенном узлом управления -центробежным регулятором, к контуру обшивки со стороны корневой нервюры, а жесткость незамкнутого контура обшивки лопасти выбрана так, чтобы корневая нервюра также устанавливается на оптимальный угол при максимально заданной скорости ветра.
На фиг.1 показан воздушный винт с лопастями изменяемой геометрии;
на фиг.2 - то же, упорный подшипник; на фиг.3 - треугольник скоростей к определению необходимого угла закрутки лопасти.
Описание устройства.
Воздушный винт с лопастями изменяемой геометрии (фиг.1) состоит из ступицы 1, комля 2 лопасти, центробежного регулятора частоты вращения 3, втулки 4 корневой нервюры 5, набора типовых нервюр 6, подвижно посаженных на трубчатый лонжерон 7, набора типовых нервюр 8, подвижно посаженных на торсион 9, и концевой нервюры 10, жестко соединенной с торсионом 9, посредством втулки 11 концевой нервюры 10 и предохранительного срезного болта 18. Каждая из типовых нервюр 6 опирается на трубчатый лонжерон 7 через антифрикционную неметаллическую втулку 17, фиксируемую шайбой 16. Таким же образом типовые нервюры 8 опираются на торсион 9. В местах расположения нервюр на трубчатом лонжероне 7 и торсионе 9 жестко закреплены стальные втулки 15 с упрочненной и термически обработанной внешней (рабочей) поверхностью.
Благодаря подвижной посадке каждая из типовых нервюр имеет возможность поворачиваться на некоторый угол, относительно осей лонжерона 7 или оси торсиона 9.
Комель лопасти 2 и трубчатый лонжерон 7 имеют большую жесткость как на изгиб, так и на кручение. Торсион 9 имеет требуемую жесткость на кручение, которая достигнута соответствующей геометрией его поперечного сечения.
Обшивка 12 лопасти, образующая аэродинамический открытый профиль, выполнена незамкнутой по задней кромке профиля, что на порядок снижает жесткость профиля на кручение, обеспечивая возможность изменения геометрической крутки лопасти винта в процессе его работы.
Работа воздушного винта ветросиловой установки с лопастями изменяемой геометрии осуществляется следующим образом.
При неработающем винте, или при скорости ветра меньше стартовой, винт имеет геометрическую крутку, обеспечивающую оптимальное обтекание всех сечений на стартовой скорости при номинальной частоте вращения вала винта. Усилий центробежного регулятора нет или их еще не достаточно для изменения геометрической крутки лопасти.
По мере роста частоты вращения ротора центробежный регулятор 3 под действием груза 13 постепенно поворачивает вокруг оси втулки 4 корневую нервюру 5. Корневая нервюра 5, поворачиваясь, загружает крутящим моментом открытый внешний контур обшивки 12, образующий профиль. При этом наибольший угол поворота имеет корневая нервюра 5. При одном и том же крутящем моменте углы поворота нервюр при удалении от центра к периферии будут уменьшаться. Наименьший угол поворота будет иметь концевая нервюра 10. Угол поворота этой нервюры при заданном моменте определяется жесткостью на кручение торсиона 9. Жесткость торсиона 9 выбирается из условия требуемого изменения угла установки концевой нервюры 10 при изменении скорости ветра от стартовой до номинальной.
Исходя из условия оптимального обтекания всех сечений лопасти, требуемый угол закрутки внешнего контура обшивки 12 обеспечивается его крутильной жесткостью и подбором массы груза 13 центробежного регулятора 3. При этом переменная крутильная жесткость вдоль размаха лопасти уменьшается по мере приближения к корневой части. Это достигается уменьшением толщины обшивки или применением дополнительных разрезов обшивки параллельно оси лопасти в ее корневой части.
Контрольное сечение углов закрутки лопасти расположено на радиусе r=0,75R, где R - радиус ротора, является базовым при аэродинамическом расчете воздушных винтов.
При увеличении скорости ветра начинает увеличиваться частота вращения ротора ветросиловой установки, при этом увеличивается и момент силы, передаваемый на открытый контур обшивки от центробежного регулятора 3. Местные углы сечений лопастей увеличиваются, препятствуя существенному росту частоты вращения. Увеличение угла закрутки лопасти прекращается, как только момент от центробежного регулятора 3 уравновесится моментом закрутки лопасти за счет ее жесткости. Так как система работает по принципу отклонения, то будет появляться статическая ошибка. Это означает, что с увеличением скорости ветра частота вращения растет, но этот рост будет незначительным.
При достижении скорости ветра ураганных значений момент от центробежного регулятора возрастает настолько, что происходит срез предохранительного болта 19. Концевая нервюра 10, освободившись от связи с торсионом 9, резко увеличивает свой установочный угол. Лопасть переходит во флюгерное положение, а винт, либо останавливается полностью, либо продолжает вращение с незначительной частотой.
Ввод в рабочее положение после прекращения ураганного ветра осуществляется ручным поворотом лопасти вокруг своей оси на заданный исходный угол и установки нового предохранительного срезного болта 18. Таким образом, осуществляется защита ветросиловой установки от повреждений и разрушения при ураганных ветрах.
Изгибающий момент от аэродинамических сил, действующих на лопасть, будет восприниматься комлем 2 лопасти, трубчатым лонжероном 7 и торсионом 9. Сечения комля 2 лопасти и жестко соединенного с ним трубчатого лонжерона 7 выбраны из условия совместной работы на изгиб и кручение. Изгибающий момент в области торсиона 7 незначителен из-за малого плеча приложения силы.
Торсион 9 состоит из одной или нескольких пластин, расположенных перпендикулярно плоскости вращения винта и заделанных по концам. Такая геометрия обеспечивает возможность подбора оптимальной жесткости торсионов 7 при достаточной изгибной прочности и жесткости.
Инерционные силы от масс торсиона 9, трубчатого лонжерона 7 и комля 2 лопасти воспринимаются этими же деталями и передаются на вал винта. Инерционные силы от обшивки 12 и типовых нервюр 6 передаются на корневую нервюру 5, а далее через узел упорного подшипника 14 на трубчатый лонжерон 7.
Узел упорного подшипника 14 (фиг.2) состоит из корпуса упорного подшипника 19, роликового конического подшипника 20 и упорной втулки 21, жестко закрепленной на трубчатом лонжероне 7. Этот узел предназначен для передачи осевого усилия с фланца 22 корневой нервюры на упорную втулку 21 трубчатого лонжерона 7. Элементы этого узла - втулка 4, болты 23 и фланец 22 корневой нервюры используются для передачи крутящего момента от центробежного регулятора 3 (фиг.1) на корневую нервюру 5, а затем с помощью винтов на обшивку 12 открытого контура профиля лопасти.
Необходимый угол закрутки лопасти на участке от корневого до концевого сечения можно определить, рассматривая картину обтекания с помощью треугольников скоростей, предложенных Б.Н.Юрьевым (см. Б.Н.Юрьев. Избранные труды. Том 1. Воздушные винты. Вертолеты. Издательство академии наук СССР. Москва, 1961, - с.29-30, 39-47).
ст.
ном.
кор.
кон
кор.
кон.
ст.
ном.
При неизменной частоте вращения n ротора воздушного винта треугольник скоростей будет иметь вид, показанный на фиг.3a, где: Vи V- соответственно стартовая и номинальная скорость набегающего потока (скорость ветра); U и U. - окружная скорость корневого и концевого сечения лопасти; W и W - относительные скорости тех же сечений; W - угол направления абсолютной скорости. Так как наивыгоднейший угол атаки сечения лопасти α вдоль размаха для одного и того же профиля практически не меняется, то необходимый угол закрутки лопасти при изменении скорости от V до V будет равен
закр.
кор.
кон.
φ=Δφ-Δφ
Имея треугольники скоростей, легко перейти от графоаналитического к математическому методу расчета.
кор.
кон.
В действительности, центробежный регулятор, работающий по принципу отклонения, всегда имеет некоторую статическую ошибку Δn. В этом случае треугольники скоростей для корневого и концевого сечений будут иметь вид, показанный на фиг.3б пунктиром. Так как приращение скорости Δn вдоль размаха лопасти растет пропорционально радиусу, на котором расположено рассматриваемое сечение, то разница углов Ψ и Ψ незначительна. А это значит, что при расчете потребного угла закрутки лопасти приращением окружной скорости можно пренебрегать.