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 первый зубчатый сегмент, жестко закрепленный на роторе соосно с осью вращения основной части лопасти, второй зубчатый сегмент, скрепленный с закрылком соосно с его геометрической осью, а также третий зубчатый сегмент, установленный на основной части лопасти между первым и вторым зубчатыми сегментами, в зацеплении с ними, с возможностью поворота относительно вертикальной оси, проходящей через хорду основной части лопасти, при этом делительный диаметр второго зубчатого сегмента равен 1-3 делительных диаметров первого зубчатого сегмента.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения, 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 первый зубчатый сегмент, жестко закрепленный на роторе соосно с осью вращения основной части лопасти, второй зубчатый сегмент, скрепленный с закрылком соосно с его геометрической осью, а также третий зубчатый сегмент, установленный на основной части лопасти между первым и вторым зубчатыми сегментами, в зацеплении с ними, с возможностью поворота относительно вертикальной оси, проходящей через хорду основной части лопасти», вместе формируют кинематическую связь ротора, основной части лопасти и закрылка и, тем самым, позволяют обеспечить требуемую трансформацию аэродинамического профиля лопасти путем разворота закрылка относительно ее основной части по мере пассивного поворота лопасти на роторе турбины под действием воздушного потока.
Кроме того, признак «кинематическая связь основной части лопасти и закрылка содержит… третий зубчатый сегмент, установленный на основной части лопасти между первым и вторым зубчатыми сегментами, в зацеплении с ними…» обеспечивает поворот закрылка в требуемом направлении, а именно формирование выпуклого профиля лопасти с подветренной стороны.
Признак «…делительный диаметр второго зубчатого сегмента равен 1-3 делительных диаметров первого зубчатого сегмента - » обеспечение требуемого соотношения углов поворота основной части лопасти и закрылка.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вид сверху на участок ротора турбины с механизмом трансформации лопасти. На фиг.2 приведен разрез А-А фиг.1.
Турбина содержит ротор 1, на котором жестко закреплен первый зубчатый сегмент 2. На роторе 1 соосно первому зубчатому сегменту 2 также установлен подшипник 3, несущий опорную шейку 4 основной части лопасти 5. На основной части лопасти 5 с зазором в дугообразном пазу 6 ротора 1 расположен торцовый выступ 7, несущий третий зубчатый сегмент 8 посредством подшипника 9. При этом третий зубчатый сегмент 8 находится в зацеплении с первым зубчатым сегментом 2. Закрылок 10 шарнирно присоединен к основной части лопасти 5 посредством осей 11 и подшипников 12. Лопасть в сборе выполнена ассиметричной относительно опорной шейки 4. На закрылке 10 с зазором в дугообразном пазу 13 ротора 1 расположен торцовый выступ 14, на котором соосно с закрылком закреплен второй зубчатый сегмент 15. При этом второй зубчатый сегмент 15 введен в зацепление с третьим зубчатым сегментом 8. Делительный диаметр второго зубчатого сегмента 15 равен (1-3) делительных диаметров первого зубчатого сегмента 2. На плоскости ротора 1, обращенной в сторону основной части лопасти 5 расположены упоры 16.
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 основной части лопасти 5 на угол α относительно касательной к круговой траектории оси поворота основной части лопасти 5. При этом угловое перемещение третьего зубчатого сегмента 8 через второй зубчатый сегмент 15 передается на закрылок 10, который в результате поворачивается на угол β относительно хорды основной части лопасти 5, значение, которого меньше угла α, так как делительный диаметр второго зубчатого сегмента равен 1-3 делительных диаметров первого зубчатого сегмента. При этом за счет поворота закрылка подветренная сторона лопасти в сборе получает выпуклый профиль, а наветренная - вогнутый.
Угол поворота α основной части лопасти 5 ограничен положением упоров 16. По мере дальнейшего поворота ротора турбины из-за этого ограничения формируется положительный угол атаки лопастей, находящихся на наветренной стороне ротора, что создает крутящий момент на роторе. После выхода лопасти на подветренную сторону ротора под действием ветра (текущей среды) происходит разворот основной части лопасти 5 в противоположную сторону. При этом благодаря кинематической связи зубчатых сегментов закрылок 10 также разворачивается относительно основной части лопасти 5 в противоположную сторону, формируя выпуклый профиль на подветренной стороне лопасти.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить плавную трансформацию профиля лопасти по мере ее пассивного поворота при вращении ротора.