КРЫЛЬЧАТАЯ ЛОПАСТЬ
VANE BLADE

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ортогональным роторным ветродвигателям с вертикальной осью вращения.
Известны лопасти ветродвигателей, содержащие перо или крыло аэродинамического профиля, связанное, по крайней мере, с одним ветроколесом. В лопасти выполнена сквозная полость, в которой размещено ветроколесо в виде ротора Савониуса, при этом вертикальная ось ротора параллельна оси крыла. (Авторское свидетельство СССР №1776868, МКИ P03D 1/05, 11.11.90 г)
Недостатком таких лопастей является их довольно сложная конструкция и небольшая эффективность, обусловленные дополнительным оборудованием крыла ротором Савониуса с относительно малым коэффициентом использования энергии ветра (КИЭВ) и снижением конструктивной прочности сквозной продольной полостью для его размещения.
Наиболее близким прототипом является известная лопасть ветроколеса, содержащая продольную полость, образованную ее боковыми поверхностями и полуцилиндрической перемычкой между концом одной боковой поверхности, укороченной до зоны максимальной толщины крыла, и второй полнопротяженной боковой поверхностью такого же аэродинамического профиля, незамкнутая область которого заканчивается на ее выходной кромке. (Авторское свидетельство СССР №1815409/ МКИ F03D 1/05, 27.05.91 г.)
Однако, эта сильно асимметричная лопасть при жесткой установке хорошо работает только на подветренной или наветренной стороне сметаемой поверхности ротора, так как одностороннее расположение ее ловушки воздушного потока не позволяет эффективно использовать основное преимущество роторных ветродвигателей, заключающееся в двукратном пересечении вертикальной проекции цилиндрической сметаемой поверхности ротора каждой его лопастью по сравнению с однократным пересечением сметаемой окружности лопастями пропеллерных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения.
Технической задачей данного изобретения является увеличение эффективности использования энергии ветра за счет расширения диапазона рабочих углов атаки крыльчатой лопасти.
Этот технический результат достигается заявляемым изобретением, сущность которого заключается в следующем:
Крыльчатая лопасть роторного ветродвигателя, образованная боковыми поверхностями обтекаемого аэродинамического профиля, соединенными перемычками так, что одна из них имеет длину от передней кромки до зоны ей максимальной толщины, а другая представляет полно протяженный контур полого крыла, имеющего внутри передней кромки продольную полость между этими - боковыми поверхностями, отличается тем, что выполнена в виде секционированного крыла из чередующейся последовательности взаимно развернутых на 180 градусов выше указанных поверхностей незамкнутого обтекаемого профиля.
В передней части крыла этот профиль образован двумя изогнутыми листовыми поверхностями, закрепленными на П-образном центральном лонжероне и связующем уголке передней кромки крыла, а его незамкнутые участки образованы третьей листовой поверхностью с поперечными надрезами, не доходящими до ее задней кромки, и частично перекрытых поперечными перемычками-полунервюрами, которые обеспечивают сквозную воздушную связь между незамкнутыми частями третьей листовой, поверхности, закрепленных на задних кромках двух продольных листовых поверхностей у центрального лонжерона.
При этом передняя часть секционированного крыла может быть образована одной продольно изогнутой листовой поверхностью закрепленной своими кромками на П-образном центральном лонжероне, а незамкнутые участки профиля этого крыла образованы чередующейся последовательностью отдельных листов, соединенных между собой плоскими перемычками-полунервюрами, снабженными надрезами для крепления с перехлестом на соединительном уголке их задних кромок и поочередно в средней части - на противоположных задних кромках передней листовой поверхности у центрального лонжерона.
Кроме того, незамкнутые боковые поверхности и соединительные перемычки-полунервюры секционированного крыла могут быть образованы вертикальной полосой трапецеидального профнастила, который в средней части крыла охвачен концевыми кромками передней продольно изогнутой листовой поверхности, с которыми он образует ферму центрального сквозного лонжерона, соединяющего противоположные стороны крыла с его внутренней продольной полость.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на Фиг.1 представлен поперечный разрез крыльчатой лопасти по первому пункту формулы изобретения, на Фиг.2 - по второму пункту, на Фиг.3 - по третьему, на Фиг.4 даны боковые проекции лопасти по первому пункту формулы, на, Фиг.5 - боковые проекции лопасти по третьему пункту, на Фиг.6 - представлена круговая поляра крыльчатой лопасти, а на Фиг.7 - ее тяго-скоростная характеристика.
Крыльчатая лопасть (Фиг.1) содержит две боковые поверхности 1 и 2 из листового материала, которые своими задними кромками соединены с расщепленными кромками третьей листовой поверхности 3. Эта поверхность 3 имеет поперечные надрезы, не доходящие до ее задней кромки, промежутки между которыми частично перекрыты поперечными перемычками-полунервюрами 4. разделяющими крыло на чередующуюся последовательность взаимно развернутых на 180 градусов секций незамкнутого профиля, образованного вышеуказанными боковыми поверхностями так, что одна из них, например 1, имеет длину от передней кромки лопасти со связующим уголком. 5 до зоны ее максимальной толщины, а другая - 2 представляет, полно протяженный контур полого крыла с продольной полостью между связующим уголком 5 и центральным П-образным лонжероном 6. К торцам этого лонжерона крепятся аэродинамические шайбы 7 и радиальные махи ротора 8, при помощи которых лопасти крепятся к вертикальной оси ветродвигателя (на чертеже не показана). Все три внешних поверхности лопасти 1, 2 и 3 могут быть изготовлены из листового стеклопластика, а внутренний набор крыла - уголок 5, лонжерон 6 и полунерпюры 4 - из листового металла, так что бы края полунервюр 4 были отогнуты в виде ребер жесткости с образованием Z-образного поперечного сечения.
Для упрощения конструкции и сборки небольших лопастей (Фиг.2) вместо двух отдельных листовых поверхностей 1 и 2 может быть сформирована одна обтекаемая поверхность 9, задние кромки которой закреплены непосредственно на П-образном центральном лонжероне 10 совместно с радиальными махами 11. На этих же кромках вплотную к лонжерону установлены отдельные листы 12 незамкнутых участков профиля, которые поочередно закреплены с небольшим перехлестом на соединительном уголке 13, установленном в задней прорези поперечных перемычек-полунервюр 14, снабженных еще и двумя прорезями в средней части лопасти для стыковки с задними кромками вышеупомянутой поверхности 9.
В простейшем случае задние кромки обтекаемой поверхности 15 продольной полости лопасти могут крепиться к вертикальной полосе трапецеидального профнастила 16, горизонтальные ребра, которого являются приближенной заменой незамкнутых боковых поверхностей профиля крыла и его соединительных перемычек-полунервюр. Участки этих трапецеидальных ребер, перекрытые задними кромками обтекаемой поверхности 15, образуют ферму сквозного центрального элерона достаточно жесткого для крепления радиальных махов ротора 17 и торцевых шайб 18. Кроме того возможны и другие конструктивные комбинации выше рассмотренных примеров реализации предложенного устройства, которые сохраняют существенные отличия от прототипа и других аналогов заявленного изобретения.
При воздействии ветра уже со сравнительно небольшой скоростью - V, с любой стороны лопасти даже при углах атаки, значительно превышающих рабочие или так называемые «полетные углы» обычного крыла, воздушный поток давит на закрытые полнопротяженные участки профиля и попадает в его незамкнутые секции, которые через продольную полость лопасти аэродинамически связаны с аналогичными, но смещенными по вертикали, участками на противоположной стороне крыльчатой лопасти. Возникающие при этом зигзагообразные потоки воздуха создают дополнительную реактивную силу тяги, которой нет у глухих воздушных ловушек прототипа. Благодаря этому происходит не только уверенный самозапуск и аффективная работа ветродвигателя при различных числах Рейнольдса с высоким КИЭВ, но и значительно снижается турбулентных шум, обусловленным срывом, воздушного потока при больших углах атаки, которые неизбежны при круговом вращении лопасти на все 360 градусов.
y
Все это подтверждается результатами натурных испытаний в аэродинамической трубе и виртуальной продувки на компьютерных симуляторах. Так из «плоской» поляры Лилиенталя (Фиг.6) хорошо видно, что у заявляемой лопасти подъемная сила F остается постоянной до углов атаки 60 и более градусов (сплошная линия). Тогда как у гладкого крыла происходит ее срыв уже при угле атаки 15 градусов (показано штрих-пунктиром). Заметное улучшение наблюдается и на тяго-скоростной характеристике такого ветродвигателя (Фиг.7, где М - вращающий момент, п - скорость вращения), особенно в области малых скоростей, ответственной за самозапуск и эффективность использования энергии ветра в районах с небольшой среднегодовой скоростою ветра, наподобие России.