ВЕТРОКОЛЕСО С КОЛЕННЫМ ИЗГИБОМ ЛОПАСТЕЙ
WIND WHEEL WITH KNEE BENDING BLADE

Изобретение относится в ветроэнергетике, в частности к использованию энергии ветра для выработки электроэнергии с применением горизонтально осевых турбин в ветроэнергетических установках малой, средней и большой мощности с ротором, который имеет лопасти с коленным изгибом.
Известно изобретение WO 2008/064678 A2, которое представляет собою лопасть ветряной электроустановки с устройством крепления для монтажа в подшипнике кругового тангажа, ось которой расположена под углом по отношению к продольной оси лопасти, что позволяет эллиптическое пересечение основной оси, при этом расстояние между внешней частью лопасти и опорой увеличивается, в то время как в верхней позиции, лопасти отклоняется назад по направлению ветра.
Согласно описанию, это достигается тем, что лопасти состоят из двух частей: короткого основания который закрепляется к головке установки, перпендикулярно к горизонтальной оси основного вала и длинной лопасти установленной на тангажном подшипнике (устройство Юрьева-Сикорского) короткой части, который при этом может совершать также поворот вдоль своей продольной оси. Основной целью этого двухзвенного устройства является обеспечение устойчивого удаления лопасти при вращении от опоры ветроустановки «более сложным и продвинутым образом, чем в обычных турбинах, где с помощью наклона лопасти поворачиваются вокруг своей продольной оси».
Недостатком данного изобретения является ненадежность стыковки короткой части с длинной лопастью и сложность механизмов управления положением лопастей при сохранении наклона оси длинной лопасти и одновременном повороте вокруг своей оси. Устройство перенято от механизмов крепления лопастей вертолетов и возможно действует лишь при малой длине короткого звена. При значительной длине короткого звена под действием массы лопасти (которая достигает у средней и большой мощности установок 2-7 тонн, длины до 60-80 м) и напора ветра все механизмы могут подвергаться быстрой разладе соединений, поэтому промышленная применимость изобретения возможно ограниченная.
Известно изобретение KZ 28871 F03D 15.08.14 у которого лопасти состоят из двух частей: короткой коленной и длинной крыловидной части. Короткая коленная часть изготавливается из прочной стали, снаружи покрыта армированной стекловолоконной оболочкой, при этом на расстоянии 1,5-3,5 м от места прикрепления к головке установки имеет коленный изгиб углом 30-45°, обратно направленный, вращению направления ротора. Участок короткой корневой части от места прикрепления к головке до изгиба называется осевым, а после изгиба - рукавным участком.
Недостатком данного изобретения является изготовление короткой части из цельнометаллического лития, что усложняет технологические проблемы обработки металла на стыке соединения осевого конца с головкой и внутренней структуры рукавного участка для соединения ее с рукояткой крыловидной части лопасти. Определенную техническую сложность создает совместимость покрытия стекловолоконной оболочки со стальной основой короткой части, которые при разных режимах температуры (низкой и высокой температурах) имеют разную степень расширения и сжатия.
F03D 1/06
Известны изобретения KZ 29206 F03D 17.11.2014, EP 2 937 557 B1, 15.11.2017, у которых лопасти состоят из двух частей: короткой коленной и длинной крыловидной части. При этом короткая коленная часть состоит из осевого участка, соединенного к головке ветроустановки и рукавного участка к которому соединяется рукоятка крыловидной лопасти. Обе участки изготавливается в отдельности из прочной стали. Осевой и рукавный участки соединяются под углом 30-45°, образуя коленный изгиб. Угловой изгиб направлен обратно, против вращения ветроколеса. Для предотвращения перелома на коленном изгибе, между осевым и рукавным участками, стягиваются стальные тросы.
Недостатками данного изобретения являются узкие параметры углового соединения осевого и рукавного участков (30-45°), составляющего коленный изгиб короткой корневой части лопасти, что ограничивает возможности использования рычажного действия длинной крыловидной лопасти в усилении вращательного эффекта в иных параметрах. Вызывает определенные сомнения техническая продуманность и надежность шарнирных механизмов соединения остова рукавного участка с соединительным валом крыловидной лопасти, где опорные кольца рукавного участка и кольцевые выступы вала крыловидной лопасти одинарные. При этом не четко указаны их функциональность, поскольку основную нагрузку по креплению этих механизмов несут концевой фланец со стороны крыловидной лопасти и запорный диск на коленном изгибе.
Известно изобретение KZ 32278 F03D 31.07.2017, EP 3411592 B1 26/06/2019 у которого лопасти состоят из двух частей: короткой коленной и длинной крыловидной части. Короткая часть состоит из двух участков: осевого, который крепится к головке ветроустановки и рукавного, которому устанавливается остов длинной крыловидной лопасти и прикрепляется через кольцевые опоры в три ряда. В этих изобретениях упущены иные варианты устройства остова длинной лопасти и рукавного участка, не четко указаны механизмы установки остова лопасти, функциональные взаимодействия и надежность соединения при повороте лопастей в аварийных моментах.
Задачей нашего изобретения является создание конструкции ветроколеса, где длинные лопасти соединены с короткой частью под определенным углом и обеспечение технической надежности ротора при изменяющемся положении лопасти к набегающему потоку ветра.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра, благодаря особой конструкции ветряного колеса, снижения расхода материалов и веса ветровой установки.
У современных роторов кинетическая сила ветрового потока передаются через прямые лопасти, которые непосредственно крепятся к головке ветроустановки. Поворот лопасти вдоль своей оси при различной скорости ветра или остановка их в перпендикулярном положении против направления движения ветрового потока при высокой скорости ветра, осуществляется гидравлическими механизмами, установленными внутри головки.
Отличительной особенностью новой конструкции ветроколеса является наличие короткой части лопасти, состоящего из осевого участка, который крепится к головке установки и рукавного участка, который соединяется с осевым участком под углом 10-80° на расстоянии 0,2-5 м от места прикрепления к головке. Крепление длинной крыловидной части лопасти к рукавному участку, техническая надежность их соединения, требует разработки новых механизмов в устройстве рукавного участка и в концевой части крыловидной лопасти. Одновременно они должны обеспечивать координированный поворот лопастей вдоль своей оси, соотносительно скорости набегающего потока ветра.
В процессе разработки конструкции ветроколеса с коленным изгибом лопастей, пришли к концепции, что оба соединяющиеся участки должны иметь цилиндрическую форму, где рукавной участок занимает внешний цилиндр, внутри которого устанавливается цилиндрический концевой вал крыловидной лопасти, что позволяет его повороту вдоль оси и обеспечивает высокую техническую надежность. Концевой вал крыловидной лопасти изготавливается из прочной стали. Цилиндрическое строение рукавного участка и концевого вала длинной крыловидной лопасти обеспечивает плотное примыкание обоих устройств, поворот вала вдоль оси и исключает люфт между ними, возникающие под воздействием гравитации и действия ветрового потока на длинную лопасть.
Устройства рукавного участка короткой коленной части, концевого вала длинной крыловидной лопасти и схема их соединения показаны на следующих рисунках. На рис. 1 показано схематическое строение осевого (рис. 1а) и рукавного (рис. 1б) участков короткой коленной части лопасти; рис. 2 - схема соединения осевого и рукавного участков короткой части и соединения рукавного участка с концевым валом крыловидной лопасти; рис. 3 - продольный срез места соединения рукавного участка короткой части и концевого вала крыловидной лопасти; рис. 4 - поперечный срез вала крыловидной лопасти со вставными трех сегментными кольцевыми выступами; 5 - рукавной участок с винтовыми опорными кольцами; рис. 6 - концевой вал крыловидной лопасти с винтовыми кольцевыми выступами; рис. 7 - сегментные кольцевые опоры рукавного участка; рис. 8 - сегментные кольцевые выступы вала крыловидной лопасти; рис. 9 - дополнительное утолщение между боковым бортом и остовами осевого и рукавного участков; 10 - гидравлический поворотный механизм; 11 - кольцевые петли для соединения тросов;
Осевой участок (рис 1а) с цилиндрическим остовом 3, имеющий с одной стороны круглый проем, крепится к головке (наружным или внутренним) поперечным бортом 1 через отверстия 2, с другой стороны имеет косо скошенный конец с эллипсоидным проемом 12, окаймленный высоким бортом 5 и дополнительное стальное утолщение 6 между бортом и остовом. Высокий борт имеет отверстий 10 для соединения с рукавным участком.
Рукавной участок могут быть несколько короче, чем осевой участок или равной длины. Остов рукавного участка 4 (рис. 1б, рис. 2) имеет цилиндрическую форму и по конструкции сходен с осевым участком 3 (1а). Отличие рукавного участка заключается в наличии во внутренней поверхности трех парных кольцевых опор 13 (рис. 1б, рис. 2), которые служат для установки опоры выступов корневого вала крыловидной лопасти 17 (рис. 2) с подшипниками 18 (рис. 2, рис. 3). Конец рукавного участка со стороны стыка с осевым участком имеет косо скошенную форму 12. Наклон направлен на наружный конец рукава. Стенка эллипсоидного проема окаймлена боковым бортом 5 (рис. 1б, рис. 2). Высокие борта осевого и рукавного участков проемами вдеваются на края остовов, крепятся сваркой с обоих сторон. Сварки со стороны стыка сглаживаются, для плотного примыкания соединений. Высокий борт со стороны изгиба усиливается дополнительным стальным утолщением 6 (рис. 2). Боковая и обратная стороны борта имеют покатый кант, заполняющий переход цилиндрической стенки к борту. По периметру борта косо скошенного конца рукавного участка проделаны расчетное количество отверстий 10, которые служат для соединения болтами 11 (рис. 2) с осевым участком (рис. 1а, рис. 2) короткой коленной части. Наружный торцевой конец рукавного участка у ветротурбин большой мощности в один и более МВт заканчивается цилиндрическим проемом или имеет поперечный кант с отверстиями для непосредственного соединения с концом длинной лопасти у ветротурбин средней и малой мощности.
Точность соединения осевого и рукавного участков и контроль их вертикального положения, обеспечиваются тем, что по длине короткой и длинной сторон остова этих звеньев наносятся линий острым метчиком и не смывающей яркой краской, разделяющие их на две ровные половинки. Такие же срединные линий наносятся по длине высоких боковых бортов, которые определяют вертикальные их положения при установке по краям эллипсоидных проемов остовов и креплений сваркой.
Длинная крыловидная лопасть 8 (рис. 2) изготавливается из стекловолокна, внутри ее полости имеется распорная балка лопасти 9, сделанная из алюминиевого сплава и композитных материалов.
22
Соединение крыловидной лопасти с рукавным участком короткой коленной части происходит через концевой вал лопасти 15 (рис. 2), который изготавливается из стали. Остов вала имеет полую цилиндрическую форму, на наружном торцевом конце имеет опорный кольцевой расширенный борт 22 (рис. 6), а со стороны обращенной к осевому участку, конец вала имеет одно ступенчатое сужение (рис. 6, 29), с рифленой поверхностью с внутренней (не показаны) и гладкую - с наружной стороны. Опорный кольцевой борт вала  (рис. 2) крепится болтами 24 к корневому утолщению остова длинной крыловидной лопасти 23 (US Patent 4,412,784 от 01.11.1983, изобретение ФРГ; DE 19733372 C1 F03D 1/06, 07.01.1999). Вал крыловидной лопасти одновременно осуществляет поворот лопасти вдоль своей оси.
Для обеспечения технической надежности и легкости управления устройствами, предлагается три варианта устройства крепления рукавного участка короткой коленной части и концевого вала крыловидной лопасти. В зависимости от принципов соединения этих устройств, варьируется форма и строение опорных колец рукавного участка и опорных выступов вала крыловидной лопасти.
Варианте 1
При , цилиндрический остов рукавного участка внутри имеет три парных кольцевых опор (рис 1б, 13), которые могут быть отлиты в цельности с цилиндром рукавного участка и в последующем обработаны специальным станком или опорные кольца приваривается во внутренние стенки цилиндра и также обрабатывается соответствующим образом. При этом применяется вставные выступы 17 (рис. 4) из трех частей, которые крепятся к валу 15 крыловидной лопасти. Кольцевые опоры рукавного участка и кольцевые выступы вала лопасти в поперечном сечении имеют квадратную форму.
На рис. 3 показаны, остов рукавного участка 4, кольцевые его опоры 13, стенка вала крыловидной лопасти 15, утолщения его 16, вставные съемные кольцевые выступы 17 с подшипниками 18, отверстия на стенке вала и на вставном выступе 19, болты крепления 20. На рис. 4 изображен перпендикулярный срез вала 15 и его вставные выступы 17 из трех частей. Подшипники имеют две формы: пальчикового и шарикового вида. Из них пальчиковые подшипники устанавливается поперечно на боковой стороне, а шариковые на наружном крае вставных съемных колец. Они имеют назначение обеспечить плотное прилегание выступов вала к опорным кольцам рукавного участка и легкий поворот вала вдоль своей оси. В зависимости от технических решений, подшипники могут не вставляться между опорными кольцами рукавного участка и вставными выступами. В этом случае на соприкасающейся поверхности вставных выступов вала и опорных колец рукавного участка проделываются канавки (не показаны). На уровне выступов вал имеет штуцеры, которые через трубчатые желоба обеспечивают смазку механизмов соединения.
Крепление вала длинной лопасти к рукавному участку короткой коленной части проводится в следующем порядке. Между опорными кольцами 13 (рис. 3) остова рукавного участка вставляются трех сегментные кольцевые выступы 17, на боковой плоскости которых установлены пальцевидные подшипники 18, а на наружном крае - шариковые подшипники (не показаны) или они не вставляются. После этого на проем рукавного участка устанавливается соединительный вал 15 длинной лопасти. К валу лопасти через проделанные отверстия 19 болтами 20 крепятся вставные выступы. Остов вала лопасти на уровня крепления съемных кольцевых выступов, имеет несколько утолщенные стенки 16, предохраняющие его от слома и разрушения.
Варианте 2
При , во внутренней стенке цилиндрического остова рукавного участка находятся три ленточные, четырехгранные кольцевые опоры (рис 5, 13), имеющие винтовое устройство. При этом винтовые опоры имеют 1,5 оборота и могут быть отлиты в цельности с цилиндром рукавного участка и в последующем обработаны специальным станком или опорные винтовые кольца приваривается во внутренние стенки цилиндра и также обрабатывается соответствующим образом. Винтовые опорные выступы 17 (рис. 6) концевого вала 15 имеют шаг в 1.0 оборот, по толщине и высоте соответствуют винтовой опоре рукавного участка. В поперечном сечении они четырехгранной формы.
Установление концевого вала крыловидной лопасти к рукавному участку короткой коленной части производится со стороны торцевого конца с помощью специального механизма, который поддерживает соответствие осевого положения обеих устройств и осторожно ввинчивает вал в остов рукавного участка. При этом винтовые выступы вала крыловидной лопасти полностью входит между парными винтовыми опорами рукавного участка и обеспечивает техническую надежность соединения устройств и положения крыловидной лопасти при разном напоре ветряного потока, поскольку поворот лопасти происходит всего в четверть оборота. Смазка соединений винтовых опор и винтовых выступов производится через штуцера и трубчатые желоба, устроенные на стенке вала крыловидной лопасти.
Варианте 3
При , цилиндрический остов рукавного участка 4 (рис 7) внутри имеет три парные сегментные кольцевые опоры 13. При этом сегментные опоры 13 имеет протяженность 90°, а проем между ними 30°. Опоры могут быть отлиты в цельности с цилиндром рукавного участка и в последующем обработаны специальным станком или опорные сегменты приваривается во внутренние стенки цилиндра и также обрабатывается соответствующим образом. Последняя ветка кольца опоры со стороны стыка с осевым участком имеет цельное строение или из двух половинок, для обеспечения надежного крепления опорного выступа концевого вала крыловидной лопасти. Вал крыловидной лопасти 15 (рис. 8) с наружной стороны имеют сегментные опорные выступы 17 шириной 30°, соответственно ширине проема между сегментными опорами рукавного участка. При этом опорные сегментные выступы вала крыловидной лопасти должны иметь ширину уже на 1,5-2,5 мм, позволяющий допуск при установке на сегментные опоры рукавного участка. Смазка механизмов соединения обеспечивается через штуцеры и трубчатые желоба, установленные на уровне стыков опорных выступов.
Если проемы всех трех парных опор рукавного участка и опорные выступы вала будут расположены в одной линии, при повороте крыловидной лопасти до горизонтального положения, при сильных порывах ветра, возможно, наступить момент, когда под действием гравитации, вал крыловидной лопасти могут выскочить от замков опорных колец рукавного участка. Поэтому целесообразно сместить расположение отдельных ветвей опор рукавного участка, на ширину 15-30°. При этом 2 и 4 ветви опор (считая со стороны торца рукавного участка) будут расположены в одной линий. В этом случае, при разном положении поворота крыловидной лопасти, опорные выступы вала будут иметь упор, по крайней мере, двух рядов опорных сегментов рукавного участка.
Установление вала крыловидной лопасти в цилиндрический остов рукавного участка через проемы опор, производится с его торца 14 (рис. 1), постепенными ввинчивающими движениями с помощью специальной техники, поддерживающего и контролирующего осевое совпадение обеих устройств, до тех пор, пока выступы вала крыловидной лопасти прочно входит между опорными сегментами рукавного участка. После входа опорных выступов вала в фазы опор рукавного участка, вал необходимо сместить на 15-30° с тем, чтобы крыловидные лопасти имели соответствующие угол атаки ветром. Данный вариант соединения вала крыловидной лопасти с рукавным участком короткой коленной части, применимо в ветроустановках малой и средней мощности, поскольку площадь соприкосновения сегментных выступов вала между опорными кольцами составляет 1/2-2/3-окружности.
Установка кольцевой, винтовой и сегментных опор рукавного участка производится на предварительно очерченные места с внутренней стороны или креплением опор несколькими (3-4) болтами снаружи к остову рукавного участка и затем края опор привариваются с двух сторон.
Независимо от различия конструкции опорных колец рукавного участка и опорных выступов вала лопасти, взаимодействия и надежность функционирования их, обеспечивается наличием единых усовершенствований строения концевых частей этих устройств.
Конец рукавного участка со стороны крыловидной лопасти плотно закрываются цельными или состоящими из двух половинок кольцевыми фланцами 21 (рис. 2), снабженными во внутренних краях резиновыми уплотнителями (не показаны). Последнее обеспечивает предохранение от попадания влаги и грязи между опорными кольцами рукавного участка и подшипниками кольцевых выступов соединительного вала крыловидной лопасти. Фланцы закрепляются болтами (не указаны) к опорным кольцам остова рукавного участка, который имеет более толстую стенку. Со стороны стыка с осевым участком, на внутреннюю рифленую сторону вала устанавливается полукольцевой эксцентрик 27 (рис. 10). К нему соединяется гидравлический поворотный механизм 28 (JP4104037, F03D 7/00 18.06.08 или по другому изобретению), который прикреплен на стенке с удлиненной стороны рукавного участка, что обеспечивает поворота крыловидной лопасти вдоль ее оси и положения ее при разной скорости ветрового потока. На наружную сторону цилиндрического сужения вала устанавливается запорный диск 25, цельный или из двух половинок. Они закрепляются болтами 26 к наружной кольцевой опоре рукавного участка. Запорный диск допускает поворот концевого вала, на котором делаются канавки для смазки, обеспечивающие движения по оси.
Для точного и быстрого установления вала лопасти, края опорных колец рукавного участка и опорных выступов вала следует на 2-3 мм сглаживать округлением или конусным срезом.
Съемные, винтовые и сегментные выступы вала могут быть и без подшипников, только с канавками на боковой поверхности, смазка их обеспечиваются через каналы и штуцеров, со стороны проема вала крыловидной лопасти.
Механизмы соединения рукавного участка короткой коленной части и концевого вала длинной крыловидной лопасти могут иметь и другие конструктивные различия. Например, двойные кольцевые опоры рукавного участка могут быть только две пары, расположенные на концах цилиндрического остова, соответственно соединительный вал лопасти имеет две пары съемных выступов или другого строения, указанные в данном описании. Могут применяться и иные конструкции, используемые у современных роторов для соединения рукоятки лопасти с головкой ветротурбины.
Эффективное использование кинетической энергии ветряного потока, обеспечивается положением (углом установки) лопасти ветроколеса на 3-10°, перпендикулярно направлению ветра, что создает сопротивление ветряному потоку и высокую его плотность на плоскости лопасти. При этом лопасти сообщают круговое вращение ротора и создают энергию. Одновременно это действие ветряного потока оказывает скрючивающий эффект на лопасти. У роторов с прямыми лопастями, нагрузка падает месту крепления рукоятки лопасти к головке установки. В нашей конструкции ветроколеса с лопастями с коленным изгибом, местом воздействия динамической нагрузки ветряного потока, является стык осевого и рукавного участков короткой коленной части, соединенного под определенным углом. Нагрузка возрастает тем, что этот стык значительно удален от головки установки длиной осевого участка.
В новой конструкции ветроколеса, аэродинамическое давление ветра на крыловидную часть лопасти передаются через колено на месте изгиба. При этом короткая корневая часть и изгиб колена испытывают давление в двух направлениях. Первое в вертикальном направлении силы тяжести крыловидной части, усиленное вращающим моментом аэродинамического напора ветра и второе, воздействие скручивающего эффекта, обусловленное действием встречного ветра на крыловидную часть лопасти. Эти действия тем ощутимее, чем больше длина лопастей.
Техническая прочность изгиба лопасти и преодоление проблемы «перелома» на коленном изгибе и снижения нагрузки на соединения осевой и рукавной частей короткого коленного отдела достигается стягиванием тросов 7 (рис. 2) между двумя звеньями на расчетном удалении от коленного изгиба. Крепление тросов осуществляется через кольцевые петли (рис. 11. 30), надежно приваренные к наружной стенке остовов осевого и рукавного участков. Применение тросов, является надежным укреплением на растягивающую силу длинной крыловидной лопасти под влиянием тяжести и ветрового напора. Использование тросов уже проверенный путь соединения при стройке висячих мостов, испытывающих подобные нагрузки.
Фронтовое воздействие напора ветра на длинную лопасть (особенно сильно при ураганном порыве ветра), постоянно оказывает скрючивающий эффект на угловое соединение осевого и рукавного участков коленной части, что могут явиться причиной разрушения устройств.
Предотвращение возможной поломки устройств на стыке соединения осевого и рукавного участков осуществляется наличием двойного дополнительного усиления 6 (рис. 1а, 1б, рис. 2) между бортом крепления 5 и остовами 3, 4 этих участков. При этом непосредственно между угловой стороной высоких бортов и стенкой остова участков привариваются 5-7 треугольные листовые подпорки 6в (рис. 9) а снаружи они покрываются толстым листовым прокатом по предложенной форме 6а, 6б (рис. 9). При этом толщина стенки проката должна иметь не менее 7-30 мм, в зависимости от мощности ветротурбин. Края соединения дополнительного утолщения соответствуют конфигурациям боковых бортов и остовам осевого и рукавного участков, а наружные края имеют скос или глубокие канавки на 7-8 мм, для проведения надежной сварки. При этом используются способы сварки, применяемые для глубоководных трубопроводов или сварки, используемые для составления высотных опор мощных ветрогенераторов.
Нумерация обозначения деталей ротора
1 - поперечный кольцевой кант осевого участка;
2 - отверстия кольцевого борта для крепления с головкой;
3 - остов осевого участка;
4 - остов рукавного участка;
5 - высокий борт для крепления осевого и рукавного участков;
6 - дополнительное стальное усиление высоких бортов;
7 - тросы, стягивающие осевой и рукавной участки;
8 - длинная лопасть;
9 - распорная балка лопасти;
10 - отверстия высокого борта для крепления;
11 - болты, стягивающие высокие борта;
12 - эллипсоидные концы осевого и рукавного участков;
13 - опорные кольца рукавного участка;
14 - наружный конец остова рукавного участка;
15 - корневой вал лопасти;
16 - утолщения на месте крепления выступов;
17 - съемные выступы корневого вала;
18 - подшипники;
19 - отверстия для крепления вала и вставных выступов;
20 - болты крепления выступов к корневому валу;
21 - наружный запорный фланец рукавного участка;
22 - опорный расширенный борт вала лопасти;
23 - корневое утолщение остова лопасти;
24 - болты крепления кольцевого борта вала с остовом лопасти;
25 - запорный диск со стороны стыка соединения звеньев;
26 - болты крепления запорного диска и опорного выступа;
27 - эксцентрик;
28 - гидравлическое устройство поворота крыловидной лопасти;
29 - одноступенчатое сужение концевого вала
30 - кольцевые петли для соединения тросов