ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ ВЕТРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С АДАПТИВНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
AIR PROPELLER OF WIND-DRIVEN POWER PLANTS WITH ADAPTIVE BLADES

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам, а именно к конструкции роторов ветросиловых установок с горизонтальным валом.
Изобретение также может быть использовано на воздушных винтах летательных аппаратов с большим диапазоном поступи винта, работающих в нестационарных турбулентных потоках, например самолетов с вертикальным стартом.
Известны винты ветросиловых установок с фиксированным шагом и лопастями без геометрической крутки. Достоинством таких винтов является простота конструкции и технологии изготовления. Эти винты имеют два существенных недостатка. Первым из них является то, что только небольшая часть лопасти работает на углах атаки, обеспечивающих оптимальное обтекание. При проектировании разработчики стремятся к тому, чтобы эта область находилась на радиусе r=0,75К (где К - радиус ротора винта). Однако с изменением скорости потока этот участок смещается вдоль оси лопасти в одну или другую сторону. Имеются участки лопасти со срывным обтеканием, то есть участки, углы атаки профиля которых выше критических. Такая работа лопасти и винта может сопровождаться вибрациями и шумом. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) таких винтов обычно не превышает 20-25%. Вторым недостатком является то, что с изменением скорости ветра сильно изменяется частота вращения винта. По этим двум причинам такие винты используются только на маломощных ветроэнергетических установках с генераторами автомобильного типа с различного рода ограничителями частоты вращения ротора. [Ветряные двигатели. Оценка энергетического потенциала ветра. http:narod.ru/gratis/winds.htm].
Известны винты ветросиловых установок с фиксированным шагом и лопастями с геометрической круткой. Достоинством таких винтов является то, что при некоторой скорости потока, которую заложил в расчет разработчик, все сечения работают на оптимальном угле атаки, КИЭВ винта на таком режим может достигать 40%, и винт создает минимальный шум. Наряду с усложнением технологии изготовления лопастей недостатком такого винта все еще остается недостаточно широкий диапазон оптимального обтекания по скорости потока. В зависимости от скорости ветра КИЭВ таких винтов может находиться в пределах от 25 до 40%. Эти винты также должны работать с ограничителями частоты вращения ротора. [Ларионова А.В., Чумак П.И. Ход проектирования и изготовления малогабаритной ВЭУ. Российская цивилизация: прошлое, настоящее и будущее Р76//Сборник научных трудов III научно-практической конференции. - Ставрополь: ООО «Мир данных», 2010. с. 356-358].
Широко известны винты ветросиловых установок с лопастями изменяемого шага, но без геометрической крутки. Такие винты до настоящего времени находят широкое применение. Главным их преимуществом является широкий диапазон работы по скорости ветра, так как регулятор подстраивает углы атаки таким образом, чтобы частота вращения ротора поддерживалась близкой заданной. Функции ограничителя частоты вращения в большинстве случаев берет на себя сам регулятор.
Недостатком таких воздушных винтов является то, что оптимальное обтекание осуществляется в небольшой области лопасти, что в некоторой степени сказывается как на значении КИЭВ (коэффициента использования энергии ветра), так и их шумности.
Известны также винты, лопасти которых соединены с валом при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов (патент США № 4427340, МПК В64С 27/38). В таком винте ближняя к лопасти зона, работающая в основном на кручение, состоит из монолитных продольно расположенных ребристых балок, выполненных в виде элементов открытого (незамкнутого) профиля.
К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность получения оптимальных размеров торсионов, обеспечивающих высокую изгибную жесткость при низкой жесткости на кручение.
Известен воздушный винт с изменяемым шагом лопастей (патент РФ на изобретение № 2349504, кл. В64С 27/48), соединенных с валом винта при помощи упругих на изгиб и кручение торсионов, выполненных на участках, испытывающих преимущественно деформацию кручения в виде балки, состоящей из продольно расположенных силовых элементов открытого профиля с высокой прочностью материала, соединенных между собой эластичным заполнителем, а в заделках по концам торсиона или участка кручения - в зоне изгиба, в местах соединения торсиона с лопастью, валом, промежуточными деталями, в местах соединения зон кручения и изгиба одного торсиона или торсионов между собой, - силовые элементы соединены между собой жестко материалом с высокой прочностью. Такой винт будет хорошо работать при косой обдувке или неравномерном поле скоростей перед винтом. Недостатком этого винта, как и рассмотренных выше, является то, что регулятор настраивает на оптимальную работу только небольшой участок лопасти, обычно вблизи радиуса r=0,75К. Использование геометрической и аэродинамической крутки жесткого пера лопасти не расширяет диапазон оптимальной зоны на всю лопасть.
Известен воздушный винт ветросиловой установки с лопастями изменяемой геометрии (патент РФ на изобретение № 2460901 C1, F03D 1/06), взятый за прототип, включающий в себя лопасти, соединенные с валом винта, узел управления, упругие на изгиб и кручение торсионы, имеющий при этом незамкнутый по задней кромке аэродинамический профиль лопасти, состоящий из обшивки и набора подкрепляющих типовых нервюр, соединенный с валом винта при помощи концевой нервюры, торсиона, трубчатого вала, выполняющего роль лонжерона, и комля лопасти, при этом жесткость торсиона на кручение выбрана из условия максимально необходимого поворота концевой нервюры при максимальном крутящем моменте, приложенном узлом управления - центробежным регулятором к контуру обшивки со стороны корневой нервюры, а жесткость незамкнутого контура обшивки лопасти выбрана такой, при которой корневая нервюра также устанавливается на оптимальный угол при максимально заданной скорости ветра.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность использования энергии резких порывов ветра.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в устранении недостатка прототипа и разработке конструкции воздушного винта, позволяющего эффективно использовать энергию резких порывов ветра, несущих достаточно большую ее долю энергии, особенно при небольшой средней скорости потока, и до этого не используемую воздушными винтами существующих ветросиловых установок.
Технический результат заявляемого изобретения выражается в повышении коэффициента использования энергии ветра за счет автоматического устранения срывных зон на лопастях винта, благодаря быстрому изменению угла установки его сечений при большом градиенте скорости потока, путем смещения центра давления корневой части пера лопасти по направлению потока за счет увеличения хорды профиля при использования специально установленного аэродинамического щитка.
Технический результат изобретения достигается тем, что воздушный винт ветросиловой установки с адаптивными лопастями, включающий в себя лопасти, соединенные с валом винта посредством комлевых участков, и узел управления, при этом лопасти содержат трубчатые лонжероны, упругие на кручение торсионы, незамкнутый по задней кромке аэродинамический профиль, состоящий из обшивки и набора подкрепляющих типовых нервюр, соединенный одним концом с корневой нервюрой, а другим, через концевую нервюру и торсион с трубчатым валом, выполняющим роль лонжерона, причем жесткость торсиона на кручение выбрана из условия максимально необходимого поворота концевой нервюры при максимальном скручивающем моменте, приложенном узлом управления к контуру обшивки со стороны корневой нервюры, а жесткость незамкнутого контура обшивки лопасти выбрана такой, при которой корневая нервюра также устанавливается на оптимальный угол при максимально заданной скорости ветра, согласно изобретению, узел управления шагом винта дополнительно снабжен аэродинамическим профилем с увеличенной хордой, представляющим собой щиток, обеспечивающий смещение точки приложения результирующей аэродинамической силы по направлению потока.
На фиг. 1 показан общий вид воздушного винта ветросиловой установки с адаптивными лопастями и его узлы в разрезе: фиг. 2 - узел срезного элемента системы защиты от ураганного ветра; фиг. 3 - узел крепления торсиона; фиг. 4 - узел упорного подшипника; фиг. 5 - узел крепления щитка; фиг. 6 - узел корневой нервюры.
Описание устройства.
Воздушный винт ветросиловой установки с адаптивными лопастями фиг. 1 состоит из ступицы 1, двух соединительных пластин 2, и зажатых между ними посредством болтов трех труб 3 для подсоединения комлевых участков лопастей. Каждая из лопастей состоит из трубчатого лонжерона 4, подвижно посаженных на него посредством неметаллических втулок, нервюр: корневой 5, типовых 7 и концевой 10. Концевая нервюра 10, посредством фланца 11 (фиг. 2) и болта 12, подсоединена к концу торсиона 9, проходящего внутри концевой части трубчатого лонжерона 4. Противоположный конец торсиона 9 (фиг. 3), посредством болта 13, крепится к трубчатому лонжерону 4. Контур обшивки лопасти в виде отдельных секций крепится к полкам нервюр посредством заклепок. Все секции, кроме корневой, имеют незамкнутый по задней кромке контур. Этим обеспечивается малая крутильная жесткость адаптивной лопасти.Инерционные силы, от обшивки и нервюр, посредством опорных подшипников (фиг. 4, 6), и втулок 15 передаются на трубчатый лонжерон 4. Корневая секция имеет аэродинамический щиток 6, представляющий профиль 6 с увеличенной хордой (фиг. 7). Функцию аэродинамического щитка 6 может выполнять и плоская пластина. К корневой нервюре 5 (фиг. 6) крепится груз 14 центробежного регулятора. Крутящие моменты, создаваемые замкнутым аэродинамическим профилем корневой секции 6 и грузом 14 центробежного регулятора, суммируются и передаются на незамкнутый контур лопасти по всей ее длине. Этому моменту противодействует момент торсиона, установленного в трубчатом лонжероне концевой части лопасти. Таким образом, участки лопасти находятся в положении, определяемом алгебраической суммой трех указанных выше моментов.
Работа воздушного винта ветросиловой установки с адаптивными лопастями осуществляется следующим образом.
При неработающем винте и отсутствии ветра винт имеет геометрическую крутку, обеспечивающую оптимальное обтекание всех сечений на стартовой скорости при номинальной частоте вращения вала винта.
По мере увеличения скорости ветра аэродинамический щиток начинает создавать на контуре лопасти скручивающий момент, обеспечивающий увеличение шага сечений лопасти. Наибольшее увеличение шага будет наблюдаться вблизи аэродинамического щитка 6. Увеличение шага уменьшит срывные зоны, то есть зоны с закритическим обтеканием, которые на остановленном винте занимают почти всю площадь лопастей. Уменьшение этих зон улучшает условия обтекания и, что очень важно, существенно снижает стартовую скорость винта.
Адаптивная лопасть улавливает энергию резких порывов ветра при скоростях потока, немногим превышающих стартовую, чего не происходит даже на лопастях изменяемой геометрии, не говоря уже об обычных лопастях. При каждом порыве аэродинамический щиток 6 мгновенно создает скручивающий момент на лопасти, устраняя, или, по крайней мере, уменьшая зоны закритического обтекания. Это дает положительный эффект при небольших скоростях ветра, когда энергией потока необходимо особо дорожить. В данном случае увеличение шага лопасти не только не уменьшает крутящий момент и обороты на валу, но и увеличивает их.
Чем меньше осевой момент инерции обшивки лопасти вместе с нервюрами относительно оси лопасти, тем эффективнее она реагирует на порывы ветра, улавливая их энергию.
Начиная с расчетной (номинальной) скорости ветра шагом лопасти управляет центробежный регулятор через упор аэродинамического щитка 6, обеспечивая безотрывное обтекание на лопастях. Аэродинамический щиток 6 вступает в работу только при очень резких порывах ветра.
При скоростях ветра выше расчетных (в том числе и ураганных) аэродинамический щиток 6, реагируя на резкие порывы ветра и работая совместно с центробежным регулятором оборотов, предотвращает резкую раскрутку винта от шквального порывистого ветра.
Таким образом, аэродинамический щиток 6, установленный в корневой части лопасти изменяемой геометрии, совместно с торсионом, установленным в концевой части лопасти, дает положительный эффект, так как существенно повышает коэффициент использования энергии ветра на всех режимах работы воздушного винта.