ЛОПАСТЬ ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к составным частям лопастных ветродвигателей и может быть использована при конструировании и промышленном производстве ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа.
лоп.
Известна лопасть горизонтально-осевого ветродвигателя АВЭУ6-4М (Агрегат ветроэлектрический унифицированный модернизированный типа АВЭУ6-4М. 133ГА.636.008 ТО Техническое описание), которая характеризуется длиной l равной 0,77 радиуса R ветродвигателя, содержащая аэродинамическую поверхность переменного сечения с аэродинамическим профилем, корневое и концевое сечения которой, повернуты друг относительно друга на угол установки γ и устройство крепления к ступице ротора ветродвигателя. На расчетном режиме работы лопасти ветродвигателя коэффициент использования энергии ветрового потока ξ не превышает 0,34. Это говорит о сравнительно низкой аэродинамической эффективности указанной лопасти, поскольку у большинства горизонтально-осевых ветродвигателей среднестатистическое значение ξ лежит в интервале 0,35-0,45.
Известна ветроэнергетическая установка (патент RU 2059105 C1. Ветроэнергетическая установка, F03D 1/06 27.04.96), лопасти ветродвигателя которой, снабжены концевыми шайбами (вихреобразователями) в виде крыла с аэродинамическим профилем. У ветродвигателя этой установки, вслед за первым ветроколесом на расстоянии равном 0,8-2,5 хорды вихреобразователя, расположено второе ветроколесо с телескопическими лопастями и концевыми шайбами. Конструктивная сложность, эксплуатационная ненадежность и работа в заторможенном и турбулентном потоке, характеризуют конструктивно-аэродинамическое решение лопастей этой ветроэнергетической установки.
откр.
Наиболее близким по технической сущности является ветроколесо (авторское свидетельство SU 1657720 A1. Ветроколесо, F03D 1/06 23.06.91. - прототип) содержащее ступицу и установленные на ней радиальные лопасти. Каждая лопасть оснащена открылком, содержащим аэродинамическую поверхность переменного сечения, который консольно закреплен на конце лопасти, направлен в сторону спинки профиля ветродвигателя и сопряжен с ее поверхностью перпендикулярно радиусу ветроколеса. Длина l открылка равна 0,18-0,22 радиуса R ветродвигателя. Недостатком данного ветроколеса является сравнительно низкая аэродинамическая эффективность, обусловленная недоиспользованием возможностей аэродинамики и конструкции лопасти ветродвигателя.
В основу полезной модели положена задача конструктивно-аэродинамического совершенствования лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя.
Техническим результатом является увеличение движущей силы лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя.
лоп
Технический результат достигается применением лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя, содержащей аэродинамическую поверхность переменного сечения с длиной лопасти l составляющей 0,85-0,97 радиуса R ветродвигателя, корневое и концевое сечения которой, могут быть смещены на угол стреловидности ±θ и повернуты друг относительно друга на угол установки γ, набрана из одного или более различных аэродинамических профилей соединенных прямолинейными и/или криволинейными образующими и имеющую устройство крепления к ступице ротора ветродвигателя.
В концевом сечении лопасти на торце аэродинамической поверхности установлен открылок, корневое сечение которого, может совпадать с концевым сечением лопасти, передние и/или задние кромки открылка и аэродинамической поверхности лопасти могут иметь общие точки, выполнен либо отъемным, либо формообразован вместе с аэродинамической поверхностью лопасти, в обоих случаях, переход от аэродинамической поверхности лопасти к поверхности открылка выполняется плавным сопряжением с переменным или постоянным радиусом r.
откр
откр
кон.лоп.
Открылок, содержащий аэродинамическую поверхность переменного сечения с длиной l равной 0,04-0,25 радиуса R ветродвигателя и шириной открылка b, равной 0,7-1,0 концевой b ширины лопасти, корневое и концевое сечения которого, могут быть смещены на угол стреловидности ±θ и повернуты друг относительно друга на угол установки ±γ, набран из одного или более различных аэродинамических профилей, соединенных прямолинейными и/или криволинейными образующими.
Открылок, расположен по одну сторону плоскости хорд аэродинамической поверхности лопасти, направлен в сторону спинки профиля и отклонен на угол раскрытия ψ в диапазоне 3-90 градусов, от торцевой поверхности концевого сечения лопасти.
Перечень фигур и краткое описание чертежей.
Фиг.1 - общий вид лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя с прямолинейными образующими, фиг.2 - сечения А-А и Б-Б лопасти фиг.1 и угол между ними, фиг.3 - общий вид лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя с криволинейными образующими, фиг.4 - общий вид открылка, на торце аэродинамической поверхности лопасти, фиг.5 - сопряжение открылка и лопасти, фиг.6 - линейный размер открылка, фиг.7 - линейные и угловые размеры открылка с прямолинейными образующими, фиг.8 - открылок с криволинейными образующими, фиг.9 - угол раскрытия открылка, от торцевой поверхности концевого сечения лопасти, фиг.10 - план скоростей ветрового потока и сил, действующих на лопасть, фиг.11 - эпюра распределения давлений вдоль аэродинамической поверхности лопасти, в районе концевого сечения, фиг.12 - линии тока поперек концевого сечения лопасти, фиг.13 - линии тока с образованием концевого вихря и силы сопротивления, фиг.14 - план сил ветрового потока, действующих на лопасть в плоскости вращения, с учетом силы сопротивления концевого вихря, фиг.15 - открылок, препятствующий движению линий тока поперек концевого сечения.
лоп
Лопасть горизонтально-осевого ветродвигателя (фиг.1), содержащая аэродинамическую поверхность (1) переменного сечения с длиной лопасти l составляющей 0,85-0,97 радиуса R ветродвигателя, корневое А-А (2) (фиг.2) и концевое Б-Б (3) сечения которой, могут быть смещены на угол стреловидности ±θ (фиг.1) и повернуты друг относительно друга на угол установки γ (фиг.2), набрана из одного или более различных аэродинамических профилей соединенных прямолинейными (4) (фиг.1) и/или криволинейными (5) (фиг.3) образующими и имеющую устройство крепления (6) (фиг.1) к ступице (7) ротора ветродвигателя.
В концевом (3) сечении лопасти (фиг.4) на торце аэродинамической поверхности (1) установлен открылок (8), корневое (9) сечение которого, может совпадать с концевым (3) сечением лопасти, передние и/или задние кромки открылка (8) и аэродинамической поверхности (1) лопасти могут иметь общие точки (10), (11), выполнен либо отъемным, либо формообразован вместе с аэродинамической поверхностью (1) лопасти, в обоих случаях, переход (фиг.5) от аэродинамической поверхности (1) лопасти к поверхности открылка (8) выполняется плавным сопряжением с переменным или постоянным радиусом r.
откр
откр
кон.лоп
Открылок (8) (фиг.6), содержащий аэродинамическую поверхность переменного сечения с длиной l равной 0,04-0,25 радиуса R ветродвигателя и шириной (фиг.7) открылка (8) b, равной 0,7-1,0 концевой b. ширины лопасти, корневое (9) и концевое (12) сечения которого, могут быть смещены на угол стреловидности ±θ и повернуты друг относительно друга на угол установки ±γ, набран из одного или более различных аэродинамических профилей соединенных прямолинейными (13) (фиг.7) и/или криволинейными (14) (фиг.8) образующими.
Открылок (8) (фиг.9), расположен по одну сторону плоскости хорд (15) аэродинамической поверхности (1) лопасти, направлен в сторону спинки профиля и отклонен на угол раскрытия ψ в диапазоне 3-90 градусов, от торцевой поверхности концевого (3) сечения лопасти.
Описание полезной модели подразумевает множество модификаций, не отступая от общего смысла единой полезной модели.
Работает лопасть горизонтально-осевого ветродвигателя следующим образом:
При воздействии ветрового потока (фиг.10) с результирующей скоростью , являющейся суммой скорости ветра  на некотором удалении от лопасти и вектором окружной скорости , на аэродинамической поверхности (1) лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя с подветренной стороны возникает разряжение. Результирующая сила разряжения  в проекции на плоскость вращения дает - движущую силу ., а в проекции на ось вращения ветродвигателя - осевую силу . Под действием движущей силы ., лопасть ветродвигателя начинает вращаться.
Применение в составе полезной модели аэродинамических профилей, приводит к существенному увеличению движущей силы .
Ниже дано описание процесса образования концевых вихрей.
На фигуре 11 приведена эпюра распределения давлений вдоль аэродинамической поверхности (1) лопасти, в районе концевого (3) сечения, возникающая при обтекании ветровым потоком. На ее выпуклой поверхности образуется разряжение - зона пониженного (-) давления, а на плоской поверхности - зона повышенного (+) давления.
Разница давлений (фиг.12), в районе концевого (3) сечения аэродинамической поверхности (1) лопасти ветродвигателя создает движение линий тока поперек сечения (3). Сложение двух видов движения (фиг.13) - вдоль сечения (3) аэродинамической поверхности (1) лопасти и поперек сечения (3) приводит к образованию в районе сечения (3) концевого вихря, создающего сопротивление движению лопасти - силу . Действие силы . (фиг.14) лежит в плоскости вращения аэродинамической поверхности (1) ветродвигателя и направлено в сторону противоположную движущей силе ., что существенно снижает результирующую величину движущей силы .
Введение в состав лопасти (фиг.15) конструктивного элемента - открылка (8), установленного на торце аэродинамической поверхности (1), направлено на препятствование движению линий тока поперек концевого (3) сечения, с образованием концевого вихря, и тем самым, существенного или полного устранения силы сопротивления.
Оценка возможности получения при осуществлении полезной модели технического результата.
1. Применение в конструкции лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя аэродинамических профилей (А-А, 2 и Б-Б, 3) (фиг.2), величина обратного аэродинамического качества которых µ≤0,013-0,014, в то время как, лопасти с широко используемыми профилями имеют µ≥0,017-0,02, позволяет снизить профильные потери Т р:
, где
µ - коэффициент обратного аэродинамического качества;
e - коэффициент торможения потока в плоскости вращения ветроколеса;
z - число модулей (коэффициент быстроходности) на 20-30%.
лоп
2. Увеличение длины аэродинамической поверхности (1) (фиг.1) лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя l с 0,75-0,80 радиуса R ветродвигателя, до 0,85-0,97 радиуса R ветродвигателя приводит к росту эффективности ветродвигателя на 3-5%.
3. Установка на лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя открылка (8) (фиг.15) приводит к снижению концевых потерь на 15-25%.
Поскольку концевые потери, происходящие за счет образования вихрей у концевой части лопасти, определяются по формуле:
, где
S - площадь лопасти;
ρ - плотность воздуха в стандартных условиях;
∞
V - скорость ветрового потока;
y
c - коэффициент подъемной силы;
эф
λ - эффективное удлинение лопасти,
,
где λ - геометрическое удлинение лопасти;
δ(λ) и Δλ - поправки на удлинение,
,
откр
где l - длина открылка;
лоп
l - длина лопасти,
откр
лоп
j c откр
j без откр
то при λ=10; l/l=0,1; δ(10)=0,065 получена величина концевых потерь T≈0,78 T.
Проведенная оценка показывает, что снижение различных потерь лопасти приводит к тому, что, технический результат выражается в увеличении движущей силы лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя на 30% и более, по сравнению с большей частью лопастей ветряных турбин определяющих сложившийся уровень техники.