ЛОПАСТЬ РОТОРА И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С РОТОРОМ
ROTOR BLADE AND WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH ROTOR

Изобретение относится к съемному наконечнику лопасти ротора, в частности лопасти ротора ветроэнергетической установки (ВЭУ), лопасти ротора с предложенным наконечником и ветроэнергетической установке с предложенными лопастями ротора и их наконечниками.
Лопасти ротора и их наконечники, в принципе, известны из уровня техники. В частности, отогнутые наконечники уже давно используются, например, в лопастях роторов фирмы «Энеркон». Эти известные наконечники лопастей ротора, кратко называемые также «верхушки», уменьшают неизбежно возникающие при работе на конце лопастей краевые вихри и, тем самым, нежелательное шумоизлучение.
Для технической информации здесь следует сослаться в качестве примера на публикации DE 10319246 A1, DE 102006022279 А1 и DE 10300284.
Такие отогнутые наконечники именно при транспортировке лопастей ротора к месту монтажа ВЭУ представляют собой очень восприимчивую часть лопасти. Также при изготовлении лопастей, например во время лакирования, обращаться с такими лопастями с отогнутыми наконечниками затруднительно.
Задачей изобретения является создание решения, которое позволило бы упростить обращение с известными лопастями ротора и/или их транспортировку и избежать их повреждений, особенно повреждений восприимчивых наконечников.
Эта задача решается посредством наконечника лопасти ротора по п.1 и лопасти ротора по п.9 формулы. Предпочтительные примеры осуществления и усовершенствования изобретения приведены в зависимых пунктах.
Предложенный наконечник позволяет изготавливать лопасти без него и, таким образом, легче обращаться с ними. Кроме того, такие лопасти менее подвержены повреждениям при транспортировке к ВЭУ. Наконец, при повреждении наконечника при работе его легко заменить на месте.
Предложенный наконечник лопасти ротора, в частности лопасти ротора ВЭУ, выполнен в виде самостоятельной, соединяемой с лопастью детали. Наконечник имеет первую соединительную поверхность, направленную к соединяемой лопасти, и содержит направляющие и блокировочные средства в качестве первых компонентов соединительного механизма для соединения с соответственно выполненной лопастью.
Для создания соединения с лопастью на соединительной поверхности предусмотрены первые направляющие средства с направлением ввода, которые при создании соединения с лопастью направляют наконечник так, что соединение становится механически надежным, а блокировочные средства без повреждения правильно позиционируются по отношению друг к другу и могут взаимодействовать между собой предписанным образом. Поэтому для надежного закрепления наконечника на лопасти предусмотрены первые блокировочные средства.
Первые направляющие средства могут состоять, по меньшей мере, из одного, расположенного параллельно направлению ввода вставного элемента. В качестве вставных элементов на наконечнике могут быть предусмотрены, например, штифты или штыри. В зависимости от размера и материала, вставной элемент может быть выполнен полым или массивным.
Первые блокировочные средства на наконечнике могут состоять, по меньшей мере, из одного первого соединительного элемента, например цапфы, для создания предпочтительно разъемного соединения с геометрическим замыканием с предусмотренными на лопасти вторыми блокировочными средствами, т.е., по меньшей мере, одним соответствующим вторым соединительным элементом. По меньшей мере, один первый блокировочный элемент может быть расположен на первой соединительной поверхности по центру и иметь параллельную направлению ввода соединительную поверхность.
В случае выполнения с цапфой в качестве первого соединительного элемента она имеет параллельную направлению ввода поверхность в качестве соединительной поверхности, в которой может быть выполнена, например, по меньшей мере, одна выемка, чья форма соответствует тогда форме второго соединительного элемента на лопасти.
На первом соединительном элементе может быть предусмотрен далее первый предохранительный компонент, например, предпочтительно перпендикулярное направлению ввода отверстие, например расточка. В отверстие или через это отверстие для фиксации и предпочтительно для приведения в действие соединительного механизма может входить предохранительный элемент.
В отношении формы наконечника следует отметить, что он имеет предпочтительно соединительный участок с имеющим напорную сторону и сторону всасывания аэродинамическим профилем, на котором (участке) находятся первые компоненты соединительного механизма. Наконечник имеет далее концевой участок также имеющего напорную сторону и сторону всасывания аэродинамического профиля, на котором (участке) наконечник предпочтительно сужается и особенно предпочтительно завершается законцовкой и особенно предпочтительно острием.
Наконечник выполнен предпочтительно отогнутым. Для этого его концевой участок аналогично винглету выгнут из плоскости соединительного участка, т.е. отогнут. В противоположность известным на несущих плоскостях самолета винглетам острие наконечника отогнуто, однако, в направлении напорной стороны. В определенных выполнениях концевой участок наконечника может быть повернут вокруг оси насаживания в своей средней плоскости на 4-8°, предпочтительно на 4-6°, особенно предпочтительно примерно на 5°.
Для обеспечения в случае грозы заданного места удара молний, с тем чтобы наконечник функционировал в качестве молниеотвода, он изготовлен предпочтительно из металла. Из-за своей хорошей электрической проводимости и небольшой удельной массы особенно хорошо подходит алюминий. Наконечник служит тогда молниеотводом и может направлять «пойманные» молнии в подходящие, интегрированные в лопасть отводящие средства, чтобы за счет этого эффективно защитить ВЭУ в случае удара молнии.
Кроме того, наконечник может быть выполнен полым. Для закрепления и уменьшения обледенения полый наконечник может нагреваться, например, обтекаться, теплым воздухом от лопасти.
Предложенная лопасть ротора, в частности для ВЭУ, содержит тело, которое, как известно, имеет ее между передней и задней кромками аэродинамический профиль с напорной стороной и стороной всасывания.
На первом конце тела лопасти находится ее основание, а на противоположном первому концу втором конце - заявленный наконечник. Таким образом, у заявленной лопасти предложенный наконечник соединен с заявленным соединительным механизмом. Поэтому для соединения с наконечником на теле лопасти следует предусмотреть вторые компоненты соединительного механизма, которые содержат соответствующие первым направляющим средствам наконечника вторые направляющие средства, а также взаимодействующие с первыми соединительными средствами наконечника вторые соединительные средства. Поэтому предложенная лопасть предназначена для соединения с предложенным наконечником.
Вторые направляющие средства в соответствии с первыми направляющими средствами на наконечнике могут состоять, по меньшей мере, из одного, расположенного параллельно направлению ввода второго вставного элемента. Например, вторые направляющие средства, если первые направляющие средства выполнены в виде, по меньшей мере, одного штифта или штыря, могут быть выполнены в виде подходящей к нему втулки.
Для создания предпочтительно разъемного соединения с геометрическим замыканием, по меньшей мере, с одним предусмотренным на наконечнике соответствующим первым блокировочным средством вторые блокировочные средства могут содержать, по меньшей мере, один второй соединительный элемент, например стопор.
Если второй соединительный элемент представляет собой стопор, то он может быть закреплен на теле лопасти, например, с возможностью смещения или вращения. Кроме того, могут быть предусмотрены натяжные средства, которые напрягают подвижный стопор в положение блокировки.
Стопор имеет стопорную поверхность, которая в положении блокировки ориентирована или лежит параллельно направлению ввода. На стопорной поверхности может быть предусмотрен тогда, например, стопорный элемент, форма которого соответствует форме первого соединительного элемента наконечника. Таким образом, между первыми и вторыми блокировочными средствами в положении блокировки может быть создано соединение с геометрическим замыканием. Это соединение может быть снова разъединено, чтобы наконечник можно было, при необходимости, снять с тела лопасти.
Если стопор, как уже сказано, напряжен подходящими натяжными средствами в положение блокировки, то при соединении наконечника с телом лопасти соединение с геометрическим замыканием между блокировочными средствами создается самопроизвольно.
Для фиксации блокировочного механизма в стопоре может быть предусмотрен второй предохранительный компонент, например отверстие, перпендикулярное направлению ввода предпочтительно в положении блокировки, предпочтительно расточку с резьбой, для соединения, по меньшей мере, с одним предохранительным элементом.
Соединение с геометрическим замыканием, созданное между первыми и вторыми блокировочными средствами в положении блокировки, может быть фиксировано предохранительным элементом за счет того, что он взаимодействует с первым и вторым предохранительными компонентами, удерживая, таким образом, соединение с геометрическим замыканием. Например, через первое отверстие в цапфе наконечника в коаксиально ориентированную вторую расточку с резьбой в стопоре может быть вставлен и с заданным усилием затянут винт в качестве предохранительного элемента для фиксации соединения. Если стопор напряжен натяжными средствами в положение блокировки, то это автоматически обеспечивает то, что отверстия для предохранительного элемента будут ориентированы коаксиально по отношению друг к другу.
Соединительный механизм может быть приведен в действие также предохранительным элементом, например, за счет того, что с его помощью движутся вторые блокировочные средства, например стопор.
Разумеется, возможны и другие варианты фиксации соединения с геометрическим замыканием - эта мера должна достаточно фиксировать лишь расположение соединительных элементов по отношению друг к другу, т.е. исключать случайное относительное перемещение. Во всяком случае, предохранительный элемент должен быть рассчитан только на такую нагрузку, чтобы он мог удерживать, т.е. фиксировать, первые и вторые блокировочные средства в положении блокировки. Центробежные силы, возникающие при работе ВЭУ, например, на наконечнике лопасти ротора, воспринимаются первыми и вторыми блокировочными средствами в положении блокировки и отводятся в лопасть, а оттуда - в ступицу ротора.
Наконец, следует еще отметить, что, разумеется, можно также поменять местами расположение описанных выше компонентов соединительного механизма между телом и наконечником лопасти.
Если лопасть изготовлена преимущественно из стеклопластика, то в нее могут быть интегрированы проводящие элементы в качестве отводящих средств, т.е. молниеотводы, которые тогда могут находиться с изготовленным, как уже сказано из металла, наконечником, например через направляющие средства, в хорошем электропроводящем контакте, т.е. без заметного переходного сопротивления. В свою очередь, отводящие средства могут служить для механической анкеровки вторых компонентов соединительного механизма в теле лопасти, с тем чтобы возникающие при работе центробежные силы могли надежно вводиться наконечником в лопасть.
Предложенные наконечник и лопасть обеспечивают также предпочтительно особенно простую замену наконечника, поврежденного при работе, например, в результате удара по нему постороннего предмета. Поэтому изобретение касается также ВЭУ с ротором, содержащим, по меньшей мере, одну предложенную лопасть и, по меньшей мере, одну лопасть с предложенным наконечником.
Другие предпочтительные варианты и пример осуществления изобретения более подробно поясняются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Употребляемые в описании этого примера термины «слева», «справа», «вверху», «внизу» относятся к чертежам в одной ориентации с нормально читаемыми обозначениями фигур и ссылочными позициями. На чертежах изображают:
- фиг.1: общий вид ВЭУ с основными компонентами;
- фиг.2: лопасть с ее основными признаками;
- фиг.3а: перспективный вид варианта наконечника;
- фиг.3b: вид сверху на наконечник из фиг.3а в направлении напорной стороны;
- фиг.4: перспективный вид компонентов соединительного механизма на лопасти, если смотреть изнутри нее в направлении наконечника;
- фиг.5: вид сбоку тела лопасти и наконечника;
- фиг.6: перспективный вид первых и вторых блокировочных средств соединения между лопастью и наконечником.
На фиг.1 изображена ВЭУ 1 с башней 2, возведенной на фундаменте 3. На верхнем, противоположном фундаменту 3 конце находится гондола 4 (машинное помещение) с ротором 5, состоящим, в основном, из ступицы 6 и размещенных на ней лопастей 7, 8, 9. Ротор 5 связан с генератором внутри гондолы 4 для преобразования механической работы в электрическую энергию. Гондола 4 установлена с возможностью вращения на башне 2, фундамент 3 которой обеспечивает необходимую устойчивость.
На фиг.2 изображена отдельная лопасть 10. Она может быть описана, в основном, контуром передней 11 и задней 12 кромок, а также промежуточным, имеющим напорную сторону 13 и сторону всасывания 14 аэродинамическим профилем 15. В зоне соседнего в смонтированном на ВЭУ состоянии со ступицей конца лопасти 10, называемого основанием 16, на лопасти находится выступ 17 для механического соединения со ступицей. На противоположном основанию конце лопасти 10 находится ее наконечник 18.
На фиг.3а, 3b изображены разные виды наконечника 100, называемого также законцовкой. На фиг.3а изображен в перспективе вид выполнения наконечника.
Наконечник 100 является самостоятельной, соединяемой с лопастью деталью. На первой соединительной поверхности 102, указывающей в направлении лопасти в качестве партнера по соединению, для ведения при создании соединения с лопастью, в качестве первых направляющих средств, предусмотрены два полых штыря или штифта 110. Расположение штифтов 110 вызывает заданное направление FR ввода при создании соединения с лопастью.
Далее, на наконечнике 100 в качестве первых блокировочных средств для его закрепления на лопасти предусмотрена цапфа 120 в качестве первого соединительного элемента. Цапфа 120 служит для создания предпочтительно разъемного соединения с геометрическим замыканием, по меньшей мере, с одним, предусмотренным на лопасти соответствующим вторым соединительным элементом.
Первые направляющие средства и первые блокировочные средства представляют собой первые компоненты соединительного механизма между лопастью и наконечником.
Цапфа 120 расположена почти в центре первой соединительной поверхности 102 и имеет параллельную направлению FR ввода поверхность 122. В ней выполнена, по меньшей мере, одна выемка 124, служащая для приема второго соединительного элемента на лопасти. Поэтому форма выемки 124 идеально соответствует форме второго соединительного элемента на лопасти фиг.6.
В цапфе 120 выполнено перпендикулярное направлению FR ввода отверстие в качестве первого предохранительного элемента в виде расточки 126, в которую может быть вставлен предохранительный элемент (фиг.6, поз. 130) для фиксации и приведения в действие соединительного механизма между наконечником 100 и лопастью.
Наконечник 100 может быть разделен на соединительный участок 104 с имеющим напорную сторону 106.1 и сторону всасывания 106.2 аэродинамическим профилем 106 и концевой участок 108 с имеющим напорную сторону и сторону всасывания аэродинамическим профилем. На соединительном участке 104 расположены первые компоненты соединительного механизма.
На фиг.3 наконечник 100 имеет ось насаживания F. Это - воображаемая ось, на которую, если наконечник 100 представить себе составленным из отдельных, инфинитезимально тонких отрезков или дисков, которые имеют, в основном, форму соответствующего, аэродинамически эффективного профиля, должны быть насажены все отрезки для получения нужной формы лопасти.
Законцовка на фиг.3а изображена в качестве примера с тремя такими разрезами профиля. Их положение иллюстрирует поворот профиля законцовки вокруг оси насаживания F. При этом показанный поворот по величине больше практического значения градусов, с тем чтобы в целях наглядности вообще можно было в некоторой степени воспринимать изображение на фиг.3а. Поворот может составлять, например, 5°, что является хорошим компромиссом между уменьшенным шумоизлучением и повышенной нагрузкой.
Наконечник 100 сужается на концевом участке 108 и заканчивается там законцовкой с острием 109. Относительно плоскости присоединительного участка 104 концевой участок 108 отогнут от стороны всасывания 106.1 последнего, т.е. к напорной стороне 106.2. Концевой участок 108 наконечника 100 отогнут относительно первого отрезка F1 оси насаживания F под углом α. Для концевого участка 108 изображен второй отрезок F2 оси насаживания F. Между обоими отрезками F1, F2 указан угол α, который описывает отгиб концевого участка 108. Угол α составляет предпочтительно 129-90°.
На фиг.3b изображен вид сверху на напорную сторону 106.2 наконечника из фиг. 3а.
На фиг.4 изображен перспективный вид изнутри лопасти в направлении ее наконечника компонентов соединительного механизма на теле лопасти. Компоненты соединительного механизма со стороны тела лопасти содержатся во вставке 240, которая аналогично наконечнику изготовлена предпочтительно из металла, особенно предпочтительно из алюминия. Вставка 240 может быть при изготовлении интегрирована в тело лопасти.
Для ввода усилий, возникающих на соединительном механизме при работе лопасти, вставка 240 заанкерена посредством тяг, проходящих в продольном направлении далеко в лопасть. Идеальным образом анкерные элементы также могут быть изготовлены из электропроводящего материала и, тем самым, помимо анкеровочной функции для соединения тела и наконечника лопасти выполнять также в качестве отводящих средств функцию молниеотвода, в частности, если изготовленный предпочтительно из металла наконечник должен действовать в качестве молниеотвода.
Для соединения с наконечником во вставке 240 для тела 206 лопасти (фиг.5) предусмотрены вторые компоненты соединительного механизма. Это значит, что во вставке 240 находятся две втулки 210 в качестве вторых направляющих средств, соответствующих первым направляющим средствам 110 (фиг.5) наконечника 100 (фиг.5). Далее предусмотрен поворотный стопор 220 в качестве второго соединительного элемента для создания разъемного соединения с геометрическим замыканием, по меньшей мере, с одной предусмотренной на наконечнике 100 соответствующей цапфой 120 (фиг.5) в качестве его первого соединительного элемента.
Втулки 210 в качестве вторых направляющих средств расположены также параллельно направлению FR ввода и при создании соединения между наконечником и телом лопасти обеспечивают правильное позиционирование первых и вторых блокировочных элементов по отношению друг к другу для надлежащего функционирования соединительного механизма.
Стопор 220 с помощью, например, винтов 256 или фиксированных пальцев соединен с установленной с возможностью вращения в подшипниках 252, 254 осью и, таким образом, подвижно закреплен на теле 206 лопасти (фиг.5). В положении блокировки стопор 220 имеет параллельную направлению FR ввода стопорную поверхность 222. На стопоре 220 предусмотрен стопорный элемент 224, форма которого соответствует выемке в цапфе 120 наконечника в качестве первого соединительного элемента. Для приведения в действие стопора 220 во вставке 240 выполнено отверстие 242, посредством которого предохранительный элемент, например винт 130 (фиг.6), может быть введен в зацепление с выполненной в стопоре резьбой. Таким образом, стопор, как поясняется ниже со ссылкой на фиг.6, может быть, при необходимости, приведен в действие снаружи лопасти, во всяком случае, фиксирован в положении блокировки.
На фиг.5 вид под углом снизу в перспективе изображены тело 206 и наконечник 100 лопасти. Тело 206 имеет аэродинамический профиль 204 с напорной стороной 204.2 и стороной всасывания 204.1. На противоположном наконечнику 100 конце тела 206 находится основание лопасти (не показано). Между штифтами 110 в качестве первых направляющих средств на наконечнике 100 и втулками 210 в качестве соответствующих вторых направляющих средств на теле 206 штрихпунктиром обозначено автоматически возникающее за счет принудительного ведения при создании соединения направление FR ввода. Далее показано опциональное уплотнение 260, которое служит для герметизации соединения при работе. Уплотнение 260 может представлять собой вложенный отдельный элемент, однако может быть также прилит к одной или обеим соединительным поверхностям или полностью отпасть при соответствующем выполнении фланцевых поверхностей.
На фиг.6 изображен перспективный вид, на котором первые и вторые блокировочные средства соединения лопасти и наконечника для пояснения их функции показаны разобщенными.
Стопор 220 закреплен на оси 250 тремя винтами 256. Поскольку ось 250 установлена в лопасти с возможностью вращения, стопор 220 вращается вокруг оси 250. На стопоре 220 находится стопорный элемент 224, который по своей форме точно подходит к выемке 124 в цапфе 120 наконечника. Это значит, что выемка 124 выполнена соответствующей стопорному элементу 224 формы и могут, тем самым, создавать между собой соединение с геометрическим замыканием.
Чтобы вызвать положение блокировки, т.е. привести ее в действие, винт 130 в качестве предохранительного элемента после закрепления наконечника с помощью направляющих средств на теле лопасти может быть вставлен в расточки в ней и во вставке 240 (фиг.4) в теле. Винт проходит затем сначала через отверстие 126 в качестве первого предохранительного компонента в цапфе 120, после чего входит в центральную расточку 226 в качестве второго предохранительного компонента в стопорном элементе 224. Расточка 226 снабжена подходящей к винту 130 резьбой (не показана), так что вращение винта 130 приводит к его вкручиванию в резьбу. Когда винт своей головкой опирается на лопасть или вставку 240, его вращение приводит к повороту стопора 220 вокруг оси 250, т.е. к срабатыванию соединительного механизма. В положении блокировки отверстие 226, в основном, перпендикулярно направлению FR ввода.
Чтобы вызвать самопроизвольное положение блокировки, т.е. привести ее в действие автоматически, подвижно установленный стопор 220 может быть также предварительно напряжен натяжными средствами, например на оси 250, в положение в соответствии с положением блокировки. Тогда при присоединении наконечника стопор 220 отклоняется от цапфы 120 и автоматически снова возвращается в положение блокировки, как только стопорный элемент 224 войдет или западет в выемку 124 цапфы 120.
В положении блокировки стопорный элемент 224 точно входит в выемку 124 цапфы 120. Таким образом, все усилия, возникающие при работе лопасти на соединении, передаются первыми и вторыми блокировочными средствами. Винт 130 в качестве предохранительного элемента, напротив, должен лишь фиксировать соединение с геометрическим замыканием и защищен особенно от срезающих усилий. Таким образом, предохранительный элемент 130 может приводить в действие соединительный механизм за счет поворота стопора 220 и фиксировать в положении блокировки.