ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА

Полезная модель относится к ветроэнергетике, в частности касается лопастей ветроколес.
Известно, что одной из проблем ветроэнергетики является сохранение постоянства частоты вращения ветроколеса при разных скоростях набегающего ветрового потока.
Известны устройства, в которых данная проблема решается путем изменения, тем или иным образом, угла атаки лопастей ветроколеса набегающим ветровым потоком.
Например, в патенте RU №2282052 предложен механизм поворота лопастей ветроколеса, содержащий ступицу с радиально установленными на ее наружной части втулками со стержнями, периферийные концы которых жестко связаны с основаниями лопастей, и установленный внутри ступицы с возможностью продольного перемещения подпружиненный стакан, снабженный зубчатыми рейками, связанными через посредство шестерен с другими концами стержней.
При возрастании скорости ветра и соответствующего увеличения лобового давления на стакан, последний, преодолевая сопротивление пружины, занимает такое положение, при котором его зубчатые рейки входят в зацепление с шестернями. При этом дальнейшее продольное перемещение стакана через посредство шестерен и стержней приводит к повороту лопастей относительно продольной оси с соответствующим изменением угла атаки.
Недостатком известной системы регулирования, обусловленным малой лобовой площадью стакана и, как следствие, слабым откликом системы на изменение скорости набегающего потока, являются ее низкая чувствительность
Известна (патент RU №2046998) лопасть ветроколеса, содержащая выполненную в ее корпусе продольную цилиндрическую полость, в которой установлены стержень-винт, нижний торец которого закреплен в ступице ветроколеса, и охватывающая стержень, жестко прикрепленная к основанию лопасти шайба, отверстие которой соответствует винтовому профилю стержня, при этом между верхним торцом стержня и шайбой установлена пружина.
В известном устройстве центростремительная сила, действующая на лопасть при вращении ветроколеса, сжимая пружину, перемещает лопасть в радиальном направлении по профилированному стержню. При этом прикрепленная к лопасти шайба, скользя по винтовой поверхности стержня, разворачивает лопасть относительно ее продольной оси, изменяя, таким образом, угол атаки лопасти набегающим потоком.
Недостатками известного технического решения, связанными с наличием значительных по величине сил трения скольжения в паре шайба - стержень, являются инерционность и низкая чувствительность системы регулирования.
Кроме того, известные вышеописанные устройства, содержащие ряд подвижных, относительно сложных по конструкции механических связей, имеют низкую надежность и весьма чувствительны к внешним условиям (запыленность, влажность воздуха, наличие осадков и т.п.).
Известно (патент RU.№2141059) крыло (лопасть) с самоустановкой угла атаки относительно набегающего ветрового потока, содержащее управляющий закрылок, установленный с возможностью поворота на задней кромке крыла, и устройство изменения угла атаки, представляющее собой вращающуюся ось, один конец которой расположен с возможностью перемещения между двумя пластинами внутри закрылка, а второй конец, расположенный внутри крыла и связанный с ним через посредство кинематической связи, обеспечивает упруго-возвратный поворот последнего при превышении заданной рабочей скорости вращения ветроколеса.
Недостатком известного крыла, обусловленным флюгированием закрылка при относительно низких скоростях набегающего ветрового потока, является узкий допустимый диапазон ветровых нагрузок.
Кроме того, область применимости известного крыла ограничена только ветродвигателями с вертикальной осью вращения.
Наиболее близкой по принципу действия к заявляемому техническому решению является лопасть ветродвигателя по патенту RU №2013646, профиль которой состоит из жестко связанных между собой основной части и выходной кромки, в зоне которой установлен поворотный интерцептор, выполненный в виде двух кинематически связанных пластин, одна из которых расположена заподлицо с подпорной поверхностью лопасти, а другая - под углом к ее засасывающей поверхности. Кинематическая связь пластин интерцептора выполнена в виде установленных в полости выходной кромки двух сцепленных между собой шестерен, каждая из которых жестко связана с соответствующей пластиной, закрепленных на параллельных друг другу подпружиненных осях вращения.
Работает лопасть следующим образом.
При рабочей (допустимой) скорости ветра набегающий на лопасть поток тормозится пластиной интерцептора, установленной под углом к поверхности лопасти, вследствие чего перед ним возникает область повышенного давления и дополнительная подъемная сила. Действующая при этом на пластину сила сопротивления уравновешивается силой пружины, так что пластина отклонится от вертикали на угол, не превышающей 10°, что практически не влияет на величину подъемной силы. При превышении допустимой силы ветра пластина, преодолевая силу пружины, повернется на больший угол, в результате чего уже при угле поворота более 20° дополнительная подъемная сила практически исчезнет. Одновременно, ввиду кинематической связи обоих пластин, на такой же или больший угол повернется другая пластина, установленная на противоположной поверхности лопасти. Набегающим на нее потоком она будет поворачиваться дальше, до угла 90°, при этом связанная с ней первая пластина займет положение, почти параллельное подпорной поверхности лопасти. При этом вследствие одновременного увеличения силы сопротивления второй пластины и уменьшения подъемной силы, скорость вращения лопасти заметно снизится. При падении скорости ветра до допустимой величины пластины интерцептора под действием пружин возвратятся в исходное состояние.
Недостатком известного технического решения является то, что ветроколеса, оборудованные лопастями известного типа, начинают работать при относительно высоких начальных скоростях ветрового потока. Указанный недостаток обусловлен тем, что одна из пластин интерцептора, расположенная под углом к плоскости вращения, оказывает заметное сопротивление вращению. Как следствие, относительно велик начальный момент, необходимый для приведения ветроколеса во вращение, поэтому ветроколесо начинает вращаться только при достаточно сильном ветре.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка лопасти, лишенной вышеуказанного недостатка.
Техническим результатом разработки является расширение рабочего диапазона скоростей ветрового потока.
Результат полезной модели достигается за счет того, что в лопасти ветроколеса, профиль которой состоит из связанных между собой основной части и выходной кромки, последняя подвижно, с возможностью поворота относительно продольной оси лопасти, подсоединена к основной части лопасти через посредство подпружиненной шарнирной связи.
На фиг.1 и 2 приведены профили предлагаемой лопасти при, соответственно, малой и большой скоростях ветра.
Профиль лопасти содержит основную часть 1, закрепленную на траверсе 2, связанной с валом 3, и выходную кромку 4, установленную на оси 5 и подпружиненную пружинами 6. Стрелками указано направление ветрового потока.
Работает лопасть следующим образом.
При малой скорости ветра обе части профиля образуют цельную лопасть, активная площадь и угол атаки которой рассчитываются таким образом, чтобы ветроколесо начинало вращаться при некотором заданном минимальном значении скорости ветра. По мере возрастания скорости ветра скорость вращении ветроколеса начинает увеличиваться, однако одновременно выходная кромка профиля 4, преодолевая сопротивление пружины, поворачивается на оси 5, устанавливаясь под некоторым углом к набегающему потоку, зависящим от скорости последнего. При этом уменьшается активная площадь лопасти, и увеличивается ее парусность, которая обусловливает возрастание силы сопротивления вращению.
Одновременное воздействие на лопасть указанных факторов обеспечивает постоянство частоты вращения ветроколеса.
При уменьшении скорости ветра кромка профиля 4, под воздействием пружин, поворачивается в обратном направлении, соответственно, угол наклона кромки, парусность и активная площадь лопасти изменяются таким образом, что частота вращения ветроколеса практически не меняется
Соотношение между площадями основной части и выходной кромки профиля, а также упругость пружин рассчитываются, исходя из мощности установки и средне годовой скорости ветра.
Таким образом, предлагаемая лопасть обеспечивает авторегулировку скорости вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей ветрового потока.