ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА
WINDWHEEL BLADE

Предлагаемое изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструкциям лопастей ветроэнергетических установок (ВЭУ).
Известна конструкция лопасти ВЭУ, принятая в качестве прототипа (патент РФ на изобретение №1828000), содержащая стальной трубчатый лонжерон, на котором с помощью соединительных и крепежных деталей смонтированы носовые и хвостовые отсеки, включающие образующие аэродинамический контур лопасти обшивку с нервюрами. Лонжерон выполнен с прямолинейными образующими и с занижением от контура лопасти на высоту соединительных деталей, выполненных в виде профилей, с одной стороны опертых через клеевое соединение на верхние и нижние полки лонжерона и охватывающих их в виде хомута с натягом через стяжные профили, закрепленные на стенках лонжерона крепежными деталями, размещенными на расстоянии не более половины высоты от нейтральной оси лонжерона до его наружного контура, а с другой стороны с помощью крепежных деталей соединенных с обшивками и нервюрами отсеков. Обшивки отсеков лопасти расчленены по ее размаху на секции, взаимодействующие между собой через соединительные детали, обеспечивающие взаимное перемещение секций, с возможностью передачи крутящего момента. Секции обшивки, в совокупности с расположенными под ними нервюрами, имеющими в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, образуют отсеки лопасти, расположенные по ее размаху. Подвижно сопрягаемые соединительные детали отсеков выполнены в виде накладок с нанесенным на них в местах сочленения твердым покрытием с малым коэффициентом трения, преимущественно ВАП-3.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предложенного решения, являются следующие - лопасть ветроколеса, содержащие трубчатый лонжерон, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки, на которые по размаху расчленена лопасть, включающие обшивки, нервюры, имеющие в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, и соединительные накладки, которыми сочленены между собой соседние отсеки с возможностью взаимного перемещения.
При подобном сочленении отсеков лопасти с лонжероном и количестве нервюр, закрепленных в отсеке на лонжероне больше двух, при деформациях лонжерона через соединительные и крепежные детали отсеков происходят «вынужденные» деформации отсеков, а следовательно, дополнительно к «чисто аэродинамическим» и центробежным нагрузкам появляется знакопеременное нагружение обшивок, деталей отсека и сопрягаемых с крепежными деталями мест лонжерона, снижающее ресурс работы обшивок и лонжерона, а соответственно ресурс лопасти. Кроме того, в местах сочленения соединительных деталей с полками лонжерона при изгибных деформациях лонжерона и деформациях соединительных деталей возможно разрушение клеевого соединения из-за неравномерного отрыва, что приводит к перемещениям под нагрузкой соединительных деталей и профилей по поверхности лонжерона и, следовательно, к нарушению покрытий, задирам и коррозии деталей лопасти, что уменьшает ресурс лопасти. Соединительные накладки, через которые взаимодействуют соседние отсеки, при изгибе лопасти деформируются, что при взаимных перемещениях отсеков может привести к разрушению их и сопрягаемых с ними деталями отсеков, потере герметизации стыка отсеков, уменьшению аэродинамической эффективности лопасти и ресурса ее работы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, является увеличение рабочего ресурса лопасти путем устранения дополнительного знакопеременного нагружения обшивок, деталей отсеков, крепежных деталей и сопрягаемых с ними мест лонжерона, вызванного изгибными деформациями лонжерона, сохранение от повреждения поверхности лонжерона, накладок и обшивки лопасти.
Для достижения указанного технического результата в лопасти ветроколеса, содержащей трубчатый лонжерон, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки, на которые по размаху расчленена лопасть, включающие обшивки, нервюры, имеющие в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, и соединительные накладки, которыми сочленены между собой соседние отсеки с возможностью взаимного перемещения, расчленение лопасти на отсеки выполнено таким образом, что хотя бы в наиболее нагруженных отсеках только две нервюры посредством соединительных и крепежных деталей сочленены с лонжероном, при этом соединительные профили в них разобщены с полками лонжерона, а по другим нервюрам соединительные детали и соединительные профили выполнены и смонтированы таким образом, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образован зазор на величину прогибов лонжерона, причем в зоне соединительных деталей и соединительных профилей на лонжероне установлены защитные накладки.
Отличительными признаками предлагаемой лопасти является то, что расчленение лопасти на отсеки выполнено таким образом, что хотя бы в наиболее нагруженных отсеках только две нервюры посредством соединительных и крепежных деталей сочленены с лонжероном, при этом соединительные профили в них разобщены с полками лонжерона, а по другим нервюрам соединительные детали и соединительные профили выполнены и смонтированы таким образом, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образован зазор на величину прогибов лонжерона, причем в зоне соединительных деталей и профилей на лонжероне установлены защитные накладки.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат - существенно увеличивается ресурс лопасти и предотвращается уменьшение аэродинамической эффективности лопасти в течение рабочего ресурса.
Предложенное техническое решение может найти применение в конструкциях ветроколес преимущественно мощных ВЭУ (50 кВт/час и более). Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности «промышленно применимо».
Изобретение поясняется чертежами фиг.1…9.
На фиг.1 изображен вид лопасти в плане, на фиг.2…9 - детали отсеков и их сочленение между собой и с лонжероном.
Представленная лопасть содержит основной силовой элемент - лонжерон 1, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки 2, которые имеют в своем составе обшивки 3 (фиг.2), две внутренние 4 (фиг.1) и две наружные 5 нервюры, состоящие из носовых и хвостовых частей, соединенных между собой соединительными профилями, установленными между обшивками 3 (фиг.2) и полками лонжерона 1 и выполненными соответственно из стальных диафрагм 6 и 7 (фиг.6), скрепленных с установленными на стенках нервюр 4 и 5 соединительными деталями 8 (фиг.2) и 9 (фиг.6), и алюминиевых профилей 10 (фиг.2) и 11 (фиг.6), скрепленных с обшивками 3 и соответственно с диафрагмами 6 и 7. Соединительные детали 8 двух внутренних нервюр 4 закреплены на стенках лонжерона 1 с помощью крепежных деталей 12 (фиг.2). На стенках и полках лонжерона 1 в зонах установки диафрагм 6 и 7 смонтированы на клею и компенсирующем технологические неточности слое стеклоткани 13 (фиг.4, 8, 9) защитные накладки 14. Зазоры 15 между отсеками 2 закрыты соединительными накладками 16 (фиг.7), которыми сочленены между собой соседние отсеки 2, с возможностью взаимного перемещения. Накладки 16 могут быть выполнены, например, гибкими из тонкой (0,2 мм) закаленной стали и прикреплены к одной из соседних нервюр 5 (фиг.7) или изготовлены из эластичного материала (ткани, пленки - на чертежах не показаны). Стальные диафрагмы 6 установлены с небольшим зазором 17 (фиг.4) над полками лонжерона 1, соединительные детали 9 двух наружных нервюр 5 и диафрагмы 7 выполнены и смонтированы в отсеках так, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образованы зазоры 18 (фиг.8) и 19 (фиг.9), равные деформациям лонжерона в этих местах при эксплуатационных нагрузках на лопасть. Защитные 14 (фиг.4, 8, 9) и соединительные 16 накладки покрыты со стороны соединительных деталей 8, 9 и диафрагм 6, 7 твердым покрытием 20 (фиг.4, 7, 8, 9) с малым коэффициентом трения. В качестве твердого покрытия 20 можно использовать покрытие ВАП-2 или ВАП-3 (антифрикционное твердое покрытие на основе двухсернистого молибдена).
Описанное устройство работает следующим образом. Действующие на отсеки лопасти аэродинамическая нагрузка и центробежные силы через обшивку 3, нервюры 4, профили 10, диафрагмы 6, соединительные 8 и крепежные 12 детали передаются на лонжерон 1, трансформируясь в момент, вращающий ветроколесо. Под действием нагрузок лонжерон 1 изгибается, зазор 15 и накладки 16 позволяют соседним отсекам 2 беспрепятственно перемещаться относительно друг друга по размаху, зазор 17 освобождает полки лонжерона 1 от упора в них диафрагм 6 при сборке лопасти и деформациях сопрягаемых деталей при работе лопасти под нагрузкой, зазоры 18 и 19 освобождают полки и стенки лонжерона 1 от упора в них диафрагм 7 и соединительных деталей 9 при изгибе лонжерона от эксплуатационных нагрузок, а при действии на лопасть случайных нерасчетных нагрузок диафрагмы 7 и соединительные детали 9, выбирая зазоры 18 и 19, взаимодействуют с лонжероном 1 через защитные накладки 14 с нанесенным на них покрытием 20. При закреплении хотя бы в наиболее нагруженных отсеках 2 лопасти ветроколеса на лонжероне 1 только по двум нервюрам 4 через диафрагмы 6, соединительные 8 и крепежные 12 детали, а также при наличии зазоров 15, 17, 18 и 19 между элементами отсеков 2 и лонжерона 1 в остальных местах отсеки 2 не участвуют в изгибе лонжерона 1, а только передают на лонжерон действующие на них аэродинамические и центробежные силы, что существенно уменьшает напряжение в обшивках 3, в сопрягаемых с ними соединительных 8, 9 и крепежных 12 деталях, исключает нарушения поверхности лонжерона 1 при расчетных режимах работы лопасти, а защитные накладки 14, установленные на клею, не ослабляя сечения лонжерона 1, предохраняют его на возможных нерасчетных режимах, что в сумме существенно повышает ресурс работы лопасти ветроколеса. Вследствие разгрузки отсеков 2 от изгибных напряжений предотвращается деформация обшивок 3 при изгибе лонжерона 1, что обеспечивает сохранение аэродинамической эффективности лопасти в течение рабочего ресурса, а также появилась возможность использования гибких или эластичных накладок 16, что существенно уменьшает износ соединительных элементов отсеков 2 при их деформациях и взаимных перемещениях, сохраняет герметизацию в местах стыка отсеков 2, тем самым повышается ресурс работы лопасти, ее эффективность. Проведенная на предприятии серия расчетов конструкций лопасти методом «конечных элементов» показала, что в предложенной конструкции лопасти оптимальным количеством является четыре нервюры 4 и 5 в наиболее нагруженных отсеках 2, из которых скреплены с лонжероном 1 две внутренние нервюры 4, приемлем также вариант с пятью нервюрами 4 и 5, из которых скрепленными с лонжероном 1 должны быть нервюры 4 вторые от обрезов обшивки 3 отсеков 2, при этом напряжения в обшивках по сравнению с известной конструкцией лопасти уменьшились ~ в 5 раз, напряжения в соединительных элементах ~ в 4 раза, а в местах крепления соединительных деталей с лонжероном ~ в 2,5 раза.